量子通信可带来哪些好处（量子通信的问与答）

量子通信可带来哪些好处（量子通信的问与答）3、有专家说，英国某官方机构认为QKD绝对不安全、不建议使用，是真的吗？2、问：现在是哪些用户在使用量子通信网络服务呢？量子通信为什么会得到全世界的高度关注，在国际上发展情况又如何呢？墨子沙龙记者特地采访了中国科学院量子信息与量子科技创新研究院的科学家们，并将采访内容整理形成了《量子通信的问与答》，分三期分享给大家。本期提问一览1、问：我国已经建成了连接京沪两地的量子通信干线工程，其他国家建设的情况怎么样呢？

编者按

2018年是全球加快在量子信息领域行动部署的关键一年。在这一年度里，美国加快推进 “国家量子计划”法案立法进程，目标是建立一个全面的、协调一致的国家政策，更好地支持量子研究和量子技术的发展；欧盟加快实施量子技术旗舰计划，并发布了报告《Supporting Quantum Technologies beyond H2020》，提出“要统一部署建立服务于量子技术的基础设施，包括量子通信地面网络和量子卫星”，目标是建设覆盖全球的量子互联网。

同时，促进量子通信研究和应用发展的有关国际会议也在2018年密集召开，其中，几个重量级的会议都是在中国举办的，包括中国科学技术大学承办的量子密码界影响力最大的年度国际量子密码学会议（Qcrypt 2018）和第一届星地一体量子网络国际研讨会（The 1st Satellite-Ground Integrated Quantum Network Workshop）。

国内外量子通信领域多名重要人士参加了会议，包括美国物理学家本内特（Charles H. Bennett）、加拿大密码学家布拉萨德（Gilles Brassard）、牛津大学教授埃克特（Artur K. Ekert）、图灵奖获得者姚期智等人。众多著名科学家在出席相关会议时，均对我国在量子通信领域取得的成就和做出的贡献给予了充分肯定。另外，11月上旬，第六届国际量子安全研讨会（ETSI/IQC Quantum Safe Workshop 2018）也将在北京召开，进一步讨论推进量子安全密码基础设施的发展和相关技术的标准化。

量子通信为什么会得到全世界的高度关注，在国际上发展情况又如何呢？墨子沙龙记者特地采访了中国科学院量子信息与量子科技创新研究院的科学家们，并将采访内容整理形成了《量子通信的问与答》，分三期分享给大家。

本期提问一览

1、问：我国已经建成了连接京沪两地的量子通信干线工程，其他国家建设的情况怎么样呢？

2、问：现在是哪些用户在使用量子通信网络服务呢？

3、有专家说，英国某官方机构认为QKD绝对不安全、不建议使用，是真的吗？

4、问：美国作为世界头号科技创新强国，在量子通信方面进展怎样？

5、问：欧盟2016年发布了量子宣言，也启动了相关的量子计划，能简单介绍一下计划的进展吗？

6、问：请谈谈我国在量子通信工程建设方面积累的经验，和对下一步工作的建议？

7、问：对于量子通信的工程化和实用化发展，我们应该秉持什么样的观点呢？

Part 3

第三期

世界主要国家加快量子通信领域的部署

1、问：我国已经建成了连接京沪两地的量子通信干线工程，其他国家建设的情况怎么样呢？

答：从公开渠道了解的信息看，主要的发达国家都已经或正在加紧实施远距离量子通信干线工程。特别是2013年我国启动量子保密通信京沪干线工程建设以来，意大利、英国、韩国、俄罗斯等发达国家迅速启动了相关工程，一些干线网络也已经初步建成了。

比如，意大利启动了总长约1700公里的连接弗雷瑞斯（Frejus）和马泰拉（Matera）的量子通信骨干网建设计划，截至2017年已建成连接弗雷瑞斯（Frejus）-都灵（Turin）-弗洛伦萨（Florence）的量子通信骨干线路[1]。英国正在建设英国国家量子通信测试网络[2]，目前已经建成连接Bristol、Cambridge、Southampton和UCL的干线网络，并于2018年6月扩展到英国国家物理实验室（NPL）和英国电信公司（BT）Adastral Park研发中心[3]，该网络由英国2015年启动的国家量子技术专项予以支持[4]，由约克大学牵头建设[5]。

韩国计划到2020年，分3阶段建设国家量子保密通信测试网络[6]。目前第一阶段环首尔地区的量子保密通信网络已于2016年3月完成，该阶段网络自2015年7月启动，由韩国科学、信息通讯和未来规划部资助，韩国最大的移动通信运营商SK电信牵头，联合企业、学校、研究机构等多家单位共同完成，网络总长约256公里

[7]。

韩国量子保密通信网络建设规划

另外，2016年8月，俄罗斯已经在其鞑靼斯坦共和国境内正式启动了首条多节点量子互联网络试点项目，该量子网络目前连接了四个节点，每个节点之间的距离为30-40公里[8]。而且去年9月，俄罗斯国家开发银行在访问中国科大上海研究院时表示，计划投资约计50亿人民币专项资金用于支持俄罗斯量子中心开展量子通信研究，并计划借鉴京沪干线经验，在俄罗斯建设量子保密通信网络基础设施，先期将建设莫斯科到圣彼得堡的线路。

2、这么说来，量子通信网络建设已经渐成气候了，您能介绍下现在是哪些用户在使用吗？

答：这个问题问得非常好。先说说我们国家京沪干线的应用情况，目前除了按计划接入的金融用户外，电力系统、大数据互联网企业也正在接入，特别是央行已经在制定金融领域接入使用的相关标准了。其他国家相关网络也有一批重量级用户，如意大利量子通信骨干网用户囊括了意大利国家计量研究院、欧洲非线性光谱实验室、意大利航天局等多家研究机构和公司；俄罗斯量子中心为俄罗斯储蓄银行总部和一家支行间建成了专用于传递真实金融数据的俄罗斯首条实用量子通信线路。

再比如，前面说到的韩国第一阶段环首尔地区的量子保密通信网络，目前的用户主要是公共行政事务、警察和邮政等领域的，正在向国防和金融领域拓展。这里还有个情况值得重视，那就是今年2月26日，韩国SK电信宣布以约6500万美元的价格收购IDQ公司50%以上的股份，成为其最大股东[9]，据说这次收购的主要目的是开发应用于电信和物联网市场的有关量子技术产品。

SK电信投资IDQ

3、问：有人说英国国家网络安全中心（NCSC）发布了一份白皮书，认为QKD绝对不安全，因此不建议使用量子密钥分发技术，有这回事吗？对于这种观点我们如何理解呢？

答：这个说法对NCSC的报告是一种严重的曲解。的确，在2016年，也就是两年多前，英国国家网络安全中心（NCSC）发布了一份白皮书，认为QKD的实际安全性没有经受测试研究，应用范围有限，使用成本高昂，对发展QKD的必要性提出疑虑。

首先，这份报告并没有，也根本不可能断言QKD“绝对不安全”。实际上，NCSC的白皮书里表示，如果商用QKD的实际安全性得到深入研究，标准得到制定，对QKD全生命周期的使用成本有更清楚的认识，他们也愿意改变他们观点推荐QKD的应用。

其次，这份报告的结论也只能说是某一机构在某一阶段的某一种主观认识，本身存在很多局限性。例如，NCSC对于QKD安全性的疑虑仅仅基于一些过时的研究结果；2018年6月，欧洲电信标准化协会（ETSI）牵头，联合来自英国、美国、日本及欧洲各国的量子通信领域的知名专家，共同发布了最新的白皮书《量子密码的实施安全-介绍、挑战和解决方案》[10]，对影响QKD系统安全的各个方面进行了系统分析，并给出了避免相应攻击的对策。这份ETSI白皮书的第一、二作者，最后一位作者均来自英国，显然，他们对自己国家NCSC的疑虑是公开不赞同的。另一方面，QKD新的方案的提出也在减少QKD实际系统的安全漏洞，拓展QKD的应用范围。例如，测量设备无关QKD协议的提出已经从根本上解决了和探测系统相关的所有安全性疑虑[11]，并且增强了基于不可信中继实现安全QKD网络的覆盖能力[12]。

ETSI最新白皮书

作为对照，我们可以注意一下，在这份白皮书发布后不久，英国政府科学办公室发布了另外一份报告《量子时代：技术机会》[13]，将量子通信列为英国量子技术的五大应用领域之一，指出量子通信能够保证高敏感信息传送的安全，特别是英国工业和政府网络的安全，因此需要充分探索和使用QKD技术；还明确建议NCSC支持QKD在现实环境中使用真实数据开展试点试验。这恰恰说明了NCSC报告结论的局限性。

《量子时代：技术机会》

在美国也有类似的事情发生。美国空军科学顾问委员会（SAB）2016年也发布了和NCSC类似结论的调研报告。但是，我们也注意到 美国的美中经济和安全审查委员会2017年发布的研究报告在参考了SAB报告的结论之后仍然认为，如果得到足够的部署，QKD会提升中国的信息安全保护能力[14]。

近些年来，QKD领域全球的同仁们开展了许多工作，大大推进了QKD技术的进展，在实际安全性、效费比等各个方面大大提高了QKD技术的实用水平。2017年，国际标准化组织ISO首先开展了QKD测评的标准化。今年，国际电联ITU也跟进了QKD标准化工作。如果进展顺利，那么商用QKD的国际标准两三年就可以建立。在性价比方面，前面提到QKD关键器件的芯片化国内外已经取得了很多成果，为集成化、小型化、低成本化开创了局面。

总之，QKD作为新兴技术，听到不同的声音很正常，科学、客观地指出、甚至质疑QKD技术在当前阶段的局限性，都是欢迎的，都可以为明确QKD技术的发展方向提供有益的帮助。所有的新技术发展都是在不断优化提升中走向成熟和应用的。如果是歪曲、夸大这种质疑，那就不值一哂了。

4、问：听您说了那么多，一直都没有提到美国，它作为世界头号科技创新强国，在量子通信方面进展怎样？

答：美国实际上也是非常重视量子通信的，特别是9月份，新美国安全中心（由前五角大楼官员组成的华盛顿特区智库）发布报告《量子霸权？——中国的野心及其对美国创新领导地位的挑战》，指出“美国必须利用自身在创新方面的已有优势，加强投入，降低在量子科学领域遭遇技术突袭的风险”，并且报告的作者接受CNN采访时表示，美国在近代史上首次面临被另一个国家所拥有技术超越的危险[15]。虽然我们国家量子通信走在他们前面，但在量子计算、量子精密测量等领域，实际上美国的实力非常强。

新美国安全中心报告

目前，美国正在加速推进国家量子计划法案（National Quantum Initiative Act）的立法进程。2017年，美国国会科学空间和技术委员会主办了一场关于美国国会科学空间和技术的听证会，会上国家光子学会呼吁发起“国家量子计划”（National Quantum Initiative，NQI），主要目标之一就是解决科研界与产业工程界之间的不协调，这一计划得到了NIST、NSF、DOE等国家相关部门的高层支持[16]。今年6月份，美国众议院科学、太空和技术委员会主席在美国国会众议院正式提出国家量子计划法案（National Quantum Initiative Act），目前已在9月13日以口头表决方式获得通过。此前，该法案在7月份得到了哈佛大学、耶鲁大学、斯坦福大学等学术界机构和IBM、Google、Intel等产业界单位的积极响应和支持。

美国家科学技术委员会量子信息科学小组第一次会议

国家量子计划法案提出实施10年“国家量子行动计划”，主要聚焦量子通信、量子计算机和超精密量子传感器三大领域，计划成立国家量子协调办公室、量子信息科学小组委员会和国家量子计划咨询委员会等相关的工作组，并授权美国能源部（DOE）、美国国家标准与技术研究院（NIST）和美国国家科学基金会（NSF）进行量子研究，计划2019-2023年投入12.75亿美元（约合人民币84.45亿元），以加速美国的量子科学发展[17]。

在量子网络建设方面，2016 年7 月，由美国总统主持的国家科学技术委员会发布的战略报告透露：美国国防部陆军研究实验室（ARL）启动了为期5年的多站点、多节点的量子网络建设工作[18]。在民用方面，美国也成立了一家专门从事量子通信网络建设的公司Quantum Xchange[19]，计划利用成熟的量子密钥分发（QKD）方法和专有的可信节点技术，在美国开展量子通信网络建设，并为政府机构和企业提供量子安全加密解决方案。

目前，该公司已与美国光纤网络巨头Zayo合作，建设沿东海岸的连接华盛顿特区和波士顿的总长约800公里的美国首个州际、商用量子密钥分发网络，并计划在年底前提供商业服务[20]，目标是将华尔街的金融市场和新泽西州的后台业务连接起来，帮助银行实现高价值交易和关键任务数据的安全[21]，并计划将服务范围拓展至健康医疗和关键基础设施领域。

美国首个州际、商用量子密钥分发（QKD）网络

5、问：我们听说欧盟2016年发布了量子宣言，也启动了相关的量子计划，您能简单介绍一下计划的进展吗？

答：欧洲是量子研发和工程的重地，前面也提到一些具体国家量子通信工程建设的情况，这里再补充一些欧盟的总体进展情况。2016年5月欧盟委员会正式发布了量子宣言，主要是启动了总投资10亿欧元的量子技术旗舰计划，主要目标之一是计划10年左右建成量子互联网[22]，并且根据量子技术旗舰计划的终期报告[23]，建设的推进计划也十分明确，具体是3年左右建设低成本量子城域网并建立量子通信设备和系统的认证及标准，6年左右利用可信中继、高空平台或卫星实现城际量子保密通信网络建设，10年左右建成量子互联网。

2018年5月7日，量子技术旗舰计划项下的“量子协调和支持行动工作组（QSA）”向欧盟委员会提交了工作报告《Supporting Quantum Technologies beyond H2020》[24]。报告指出：在量子通信基础设施方面，要建立基于光纤的城市量子密钥分发网络、城域骨干网络，以及用于偏远地区的卫星或高空平台（HAP），目标是为全球量子网络奠定基础。按照计划，5年内将发射一颗低地球轨道（LEO）卫星，与地面站连接建立量子安全网络。预计未来10年，地面量子通信总投入在3.5亿欧元左右，天基量子通信总投入约为11亿欧元。

6、问：从国内外进展情况来看，我国在量子通信工程方面处于世界前列，请谈谈我国在量子通信工程建设方面积累的经验，和对下一步工作的建议？

答：应该说，京沪干线的建设带动了整个产业链的发展，特别是在核心元器件国产化和相关标准制定方面。

目前，单光子探测核心芯片已经国产化，这里要特别提一下的是美国实际上对中国发展量子密钥分发技术一直是提防的，在2017年8月15日更新的针对信息安全类商品的出口管制清单中，明确将“专门设计（或改造）以用于实现或使用量子密码（也称量子密钥分发QKD）”的商品列入，正式限制向中国政府类用户出口量子密钥分发相关商品或软件[25]；在2017年12月27日更新的针对“许可证例外”的说明中[26]，量子密码类商品或软件只对中国非政府类用户可以适用“许可证例外”，即如果向中国政府类用户出口量子密码类商品或软件，必须取得美国官方的许可证），在这种背景下，国产化工作就显得特别有意义。

近年来，量子信息技术，特别是当前率先实用化的量子保密通信技术（或称QKD）正在蓬勃发展，从技术研发、网络部署到行业应用，都取得了长足的进步，但要进一步实现QKD从实用化到产业化规模应用，还面临着不少挑战。标准化是关键一步，是未来产业成熟发展的基石。量子通信作为跨领域的系统工程，它的标准化从无到有，具有相当的难度和挑战。

目前，我国正全力推进QKD标准化相关工作，特别是2017年6月量子通信与信息技术特设组（ST7）在工信部中国通信标准化协会（CCSA）发起成立，已有44家会员单位，正在围绕量子保密通信标准体系的术语、应用场景、网络架构、技术要求、测试方法、应用接口等内容编制有关国家标准和行业标准，其中中国信通院牵头的QKD测试方法研究已经发布。另外，我国专家也已经在去年11月在ISO/IEC国际标准化组织启动了QKD的全球首个国际标准项目“Security requirements test and evaluation methods for quantum key distribution”，正式开启了QKD的国际标准化进程。这些工作都为下一步发展量子通信产业奠定了基础。

7、问：谢谢接受我们的采访，通过这次访问我们也更加了解了目前国际国内在量子通信技术工程化、实用化和产业化方面的最新进展，我们由衷地为我国在这一尖端技术领域取得的成果感到骄傲。

答：我们也很高兴与你们聊了这么多，回答过程也是一个梳理过程，很有感触，也很受启发。实际上，与任何一项新技术的发展一样，量子通信技术的应用和发展也需要实验床和应用示范。京沪干线建设以来，不仅在金融、电力等行业成功开展了应用示范，而且有更多的行业要求接入和试用。对于工程化和实用化，我们一直秉持这样的观点，一方面要谨慎论证，另一方面也要积极部署，因为有应用才有进步、有做才有未来，就如电报一样，通过大规模的建设，特别是跨洋海缆的建设，促进了电报的应用和普及，也为现代电信产业的发展打下了坚实基础。同理，正是几十年来大规模的海底光缆、地面光纤网络、移动基站的建设，我们如今才能便捷地使用互联网。

参考资料：

[1]https://docbox.etsi.org/Workshop/2016/201609_QUANTUMSAFECRYPTO/TECHNICAL_TRACK/INRIM_Calonico.pdf.

[2]QCommHub_Annual-Report-2014-15 https://www.quantumcommshub.net/wp-content/src/QCommHub_Annual-Report-2014-15.pdf.

[3]https://www.btplc.com/news/#/pressreleases/bt-and-partners-take-quantum-leap-towards-ultra-secure-future-networks-2538664.

[4]UK National quantum technologies programme http://uknqt.epsrc.ac.uk/

[5]https://www.quantumcommshub.net/wp-content/src/QCommHub_Annual-Report-2014-15.pdf.

[6]Nicolas Gisin and Hugo Zbinden Quantum Information Processing https://docbox.etsi.org/workshop/2014/201410_crypto/s01_setting_the_scene/s01_gisin.pdf.

[7]SK Telecom-led Consortium Completes Roll-out of National Test Networks for Quantum Cryptography Communication https://www.businesswire.com/news/home/20160304005490/en/SK-Telecom-led-Consortium-Completes-Roll-out-National-Test.

[8]http://intl.ce.cn/specials/zxgjzh/201608/10/t20160810_14723189.shtml.

[9]https://www.idquantique.com/id-quantique-sk-telecom-join-forces.

[10]https://www.etsi.org/images/files/ETSIWhitePapers/etsi_wp27_qkd_imp_sec_FINAL.pdf

[11]Lo et al. Phys. Rev. Lett. 108 130503 (2012)

[12]Tang et al. Phys. Rev. X 6 011024 (2016)

[13]https://assets.publishing.service.gov.uk/government/uploads/system/uploads/attachment_data/file/564946/gs-16-18-quantum-technologies-report.pdf.

[14]https://www.uscc.gov/sites/default/files/John Costello_Written Testimony_Final2.pdf

[15]https://money.cnn.com/2018/09/14/technology/quantum-computing-china/index.html

[16]https://www.lightourfuture.org/getattachment/7ad9e04f-4d21-4d98-bd28-e1239977e262/NPI-Recommendations-to-HSC-for-National-Quantum-Initiative-062217.pdf.

[17]https://www.congress.gov/bill/115th-congress/house-bill/6227/text

[18]https://www.whitehouse.gov/sites/whitehouse.gov/files/images/Quantum_Info_Sci_Report_2016_07_22 final.pdf.

[19]https://quantumxc.com/

[20]https://techcrunch.com/2018/10/25/new-plans-aim-to-deploy-the-first-u-s-quantum-network-from-boston-to-washington-dc/

[21]https://www.idquantique.com/idq-announce-partnership-quantum-xchange/

[22]Quantum Manifesto

http://qurope.eu/manifesto.

[23]https://ec.europa.eu/digital-single-market/en/news/quantum-flagship-high-level-expert-group-publishes-final-report.

[24]https://qt.eu/app/uploads/2018/05/Supporting-QT-beyond-H2020_v1.1.pdf

[25]https://www.bis.doc.gov/index.php/documents/regulations-docs/federal-register-notices/federal-register-2014/951-ccl5-pt2/file

[26]https://www.bis.doc.gov/index.php/documents/regulation-docs/415-part-740-license-exceptions/file

关于“墨子沙龙”

墨子沙龙是由中国科学技术大学上海研究院主办、上海市浦东新区科学技术协会及中国科大新创校友基金会协办的公益性大型科普论坛。沙龙的科普对象为对科学有浓厚兴趣、热爱科普的普通民众，力图打造具有中学生学力便可以了解当下全球最尖端科学资讯的科普讲坛。