量子通信的研究与应用现状（量子信息技术现状研究）
量子通信的研究与应用现状（量子信息技术现状研究）以量子计算、量子通信和量子测量为代表的量子信息技术在信息安全、通信网络、人工智能、空间探测、生物医疗等诸多领域将产生基础共性乃至颠覆性的重大影响。 量子信息技术通过对光子、电子和冷原子等微观粒子系统及其量子态进行精确的人工调控和观测，借助量子叠加和量子纠缠等独特物理现象，以经典理论无法实现的方式获取、传输和处理信息。2.1. 量子信息技术可分为三类，其中量子通信最接近商用化 量子是构成物质的基本单元，是不可分割的微观粒子（譬如光子和电子等）的统称。量子具 有不可全面观测性（测不准）、不可复制性、态叠加性的性质。量子信息是计算机、信息科学与量子物理相结合而产生的新兴交叉学科，量子信息技术已经 成为世界各国实施高新技术战略竞争的焦点之一。
（报告出品方/分析师：安信证券 诸海滨 ）
1. 站在当前时间点，再看量子通信行业的发展量子信息技术的发展具备较强的战略意义。
在2020年10月16日举办的二十四次集体学习中，强调要培育量子通信等战略性新兴产业，加快量子科技向实用化、工程化转化。前期量子行业面临着应用不明、商业模式不清晰等问题。随着近年来量子科研方面的投入不断加大，量子技术迎来了长足的发展。
本文站在当前时点重新复盘量子行业的发展历程，观察行业当前的情况。
2.1. 量子信息技术可分为三类，其中量子通信最接近商用化
量子是构成物质的基本单元，是不可分割的微观粒子（譬如光子和电子等）的统称。量子具 有不可全面观测性（测不准）、不可复制性、态叠加性的性质。
量子信息是计算机、信息科学与量子物理相结合而产生的新兴交叉学科，量子信息技术已经 成为世界各国实施高新技术战略竞争的焦点之一。
量子信息技术通过对光子、电子和冷原子等微观粒子系统及其量子态进行精确的人工调控和观测，借助量子叠加和量子纠缠等独特物理现象，以经典理论无法实现的方式获取、传输和处理信息。
以量子计算、量子通信和量子测量为代表的量子信息技术在信息安全、通信网络、人工智能、空间探测、生物医疗等诸多领域将产生基础共性乃至颠覆性的重大影响。
量子技术主要可分为三类，分别为量子计算、量子通信和量子测量。
量子技术被视为可能引发信息技术体系的颠覆性创新和重构，并诞生改变游戏规则的变革性应用，从而推动信息通信技术换代演进和数字经济产业突破发展。
2.2. 量子信息技术发展具备战略意义，全球范围内多个国家均有相关投入
由于量子技术本身的重要性，各国普遍在量子方面加强了科研规划和布局投入。据中国信息 通信研究院不完全统计，截至2021年10月，全球各国投资总规模已经超过130亿美元。
随着量子信息技术的发展，量子信息技术的科研成果转化、行业应用创新、供应链建设和人 力资源培养等方向已经成为当前全球主要国家的主要发力方向。
在这样的背景下，各国成立了一系列的量子信息技术领域产业联盟。
2.3. 量子计算：多种路线并行尚未出现压倒性技术，距离商用化尚远
量子计算主要依赖量子叠加和干涉等原理实现并行计算，能在某些传统计算机计算困难的问 题上提供指数级加速，即可实现“量子计算优越性”，是未来计算能力跨越式发展的重要方 向。
量子计算主要依赖量子比特。
量子比特依赖量子的叠加特性，可以制备在两个逻辑态 0 和 1 的相干叠加态，换句话讲，它可以同时存储 0 和 1。
考虑一个 N 个物理比特的存储器，若它是经典存储器，则它只能存储2 个可能数据当中的任一个，若它是量子存储器，则它可以同时存储2 个数，而且随着 N 的增加，其存储信息的能力将指数上升。
由于数学操作可以同时对存储器中全部的数据进行，因此，量子计算机在实施一次的运算中 可以同时对2 个输入数进行数学运算。
其效果相当于经典计算机要重复实施2 次操作，或者采用2 个不同处理器实行并行操作。
可见，量子计算机可以节省大量的运算资源（如时间、记忆单元等）。
多种路线并存，尚处于研发阶段。
量子计算依赖量子比特，根据实现量子比特的制备操控方案的不同，当前量子计算其存在超导、离子阱、硅基半导体和光量子多种技术路线，目前尚未出现压倒性的技术，处于多技术并行状态。
另外，当前量子计算机的发展还面临着如退相干等问题，导致当前量子计算仍主要存在于实 验室阶段，距离商业化较远。但是当前也有诸如“九章”等新的具备量子优越性的量子计算机被制造出来，整体行业仍保持向好趋势。
2.4. 量子通信：量子保密通信已产业化，京沪干线等代表性应用加速行业发展
量子通信则主要是指量子加密通信，即利用量子的叠加态和纠缠效应，在经典通信的辅助下 进行量子密钥的产生、分发和接收，可以在很大程度上提升信息的安全性。
基于量子密钥分发和对称加密算法的量子保密通信技术已经初步实用化，在商用设备、实验网络和示范应用等方面取得了一定的进展，但仍面临下游需求不明，业绩持续性不足等问题。
具体到量子通信的业务模式来看，量子通信主要依赖量子随机数发生器（QRNG）、量子密 钥分发设备（QKD）等一系列量子密钥生成和传输设备集合形成密钥资源，并进一步依赖集 成后的量子安全设备和量子网络为政务、金融、电力、数据中心等客户提供信息加密服务。
利用量子现象进行加密最早由哥伦比亚大学的科学家Stephen Wiesner于1969年在论文《共 轭编码（conjugate coding）》中提出。
后来其好友IBM公司的研究人员Charlie H. Bennett和加拿大蒙特利尔大学的教授Gilles Brassard受到了Stephen Wiesner的启发，在1984年在印度召开的一个国际学术会议上提交了一篇论文《量子密码学：公钥分发和拋币》(Quantum cryptography：Public key distribution and coin tossing)。他们在这篇论文中提出了BB84协议，该协议把密码以密钥的形式分配给信息的收发双方，因此也称作“量子密钥分发（QKD）”。
量子随机数发生器（QRNG）
当前的数据加密主要依赖特定的算法，在算法中输入不同的参数从而得到不同的加密结果， 所输入的一系列参数就是加密密钥。而算法方面，当前国际上加密主要均依赖几种特定的算 法，因此一般对于窃听者而言，得到密钥就相当于得到了明文，即破解了本次加密。在这样 的背景下，密钥的随机性具备重要的意义。
而密钥的随机性直接与密钥生成所依赖的随机数生成方法相关，随机数的生成可以分为两种 基本类型：软件和硬件。基于软件的随机数生成被称为伪随机数发生器即 PRNG，软件的问 题来自于其生成算法的确定性，若其算法被破解，则可对其产生的随机数进行预测，故而安 全性较低。基于硬件的随机数发生器也叫作真随机数发生器，其主要依赖经典物理学的随机性，并通过对物理现象的测量将其数字化，从而生成随机数，但由于经典物理学过程无法做 到完整的控制和监控，故而密码系统中会存在不确定性，并对安全性造成损害。
QRNG（量子随机数发生器）原理主要是依赖量子本身的随机性特性生产随机数。量子的随 机性即一个量子经过一段时间演化后的状态无法精确预测，与任何外部因素都无关，因此基 于量子的随机性产生的随机数是完全真随机的，具备相较传统随机数生成方式更高的安全性。
量子密钥分发设备（QKD）
在QRNG生成了量子随机数密钥以后，还需要以QKD产品进行量子密钥的分发。对于数据而言，其生命周期可分为采集、存储、传输、分析、应用、销毁和备份等阶段，QKD产品在数据生命周期中主要起到保护数据传输环节的作用。
QKD在对密钥的分发传输过程中将单个光量子作为信息的载体，将 0、1 的信息编码到一个 光子上并通过传统光纤或空间将该光子传输给对方。
对方利用单光子探测器探测该光子之后获得传输来的 0、1 信息，经过一系列处理实现量子密钥分配。
而在安全性方面，量子保密通信对安全性的提升主要来自于两方面，其一是基于光子不可再 分，不可复制的性质，任何窃听者都无法将发送端发射的光子一分为二或复制一个，一个自 己保留一个发送给接收者；其二是基于光子不可被完全测量的性质，窃听者对光子的观测会 导致光子的状态发生改变，使得接收者可以获知存在窃听者这一事实。
所以发送者发送给接收者的光子要么接收者收到，要么窃听者收到，不可能接收者和窃听者 同时收到。
这样发送者和接收者只需要保留接收者收到的信号，便可生成他人不可能获取的密钥。
当前QKD设备主要功能为基于光纤网络实现点对点的安全密钥分发，一般内置QRNG量子 随机数发生器，并采BB84协议，可提供百公里量级的可靠量子密钥分发。
量子通信为当前量子三大主要应用中最接近商业化的领域，且现实中已经存在部分应用。
根据中科大消息，量子保密通信的代表性应用京沪干线于2013年 7 月立项，于2017年 8 月底在合肥完成了全网技术验收，2017年 9 月 29 日正式开通，项目全长2000余公里，主要节点包括北京、济南、合肥和上海，可以基于可信中继方案实现远距离的量子安全密钥分发。
整个京沪干线由 32 座中继站和 31 段光纤量子通信线路构成主干量子通信线路，另外还包含 北京和上海的城域量子通信网络，其在很大程度上为量子通信系统的安全性规范研究提供了 实验环境。
2.5. 量子测量：高精度测量前景广阔，但产业化和标准化仍处于起步阶段
量子测量主要是通过观察微观粒子系统量子态对外界物理量变化的反应，通过量子态的变化 直接或间接地将环境物理量的大小读取出来，实现精密传感测量，在精度、灵敏度和稳定性 等方面相较传统技术可带来数量级的提升。
量子测量按照对量子特性的应用方式不同，可以分为三种技术类型：
一是使用量子能级测量物理量；
二是使用量子相干性或干涉演化进行物理量测量；
三是使用量子纠缠态和压缩态等独特量子特性来进一步提高测量精度或灵敏度。
具体到量子测量技术的系统框架来看，其最底层以量子力学为理论基础，运用相干叠加、量 子纠缠等技术上手段对原子、离子、光子等微观粒子的量子态进行制备、操控、测量和读取，配合数据的处理与转换，实现对角速度、重力场、磁场、频率等物理量的超高精度的精密探测，甚至有望突破经典物理的理论极限。
通过应用层的软件将结果呈现给行业用户。
在理论与技术基础层面，基础物理理论基本完备，但是部分原理技术仍有待突破，如量子纠缠态高效确定性的产生方法、远距离分发技术等。
具体到技术方案来看，主要技术方案包括冷原子干涉测量、核磁/顺磁共振测量、原子自旋测 量、纠缠态/压缩态测量和量子增强测量等。
而量子测量的主要发展方向涉及新一代定位/导航/授时的光学原子钟、光学时频传输系统、原子陀螺仪与重力仪等，以及高灵敏度检测与目标识别的光学量子雷达、物质痕量检测、磁场精密测量等。
主要应用场景包括航空航天、防务装备、地质资源勘测、基础科研和生物医疗等众多领域， 应用与产业发展前景广阔。
总体来说，整个量子测量产业目前还处于初级阶段，尚不具规模。
主要原因包括两方面：
一方面量子测量领域的技术门槛比较高，需要一定的专业知识和技术积累，对人才的专业素养要求严格，目前大部分的量子测量企业都是从高校或者科研院所孵化的，或者具有军工背景；
另一方面，除了量子雷达、量子磁力计具有明确的民用场景外，其他量子测量技术主要定位于非民用、非工业的应用场景，面向军队或政府等特殊领域的封闭市场，不适于推广商用。
3. 量子通信行业现状：中国量子通信相关专利居于世界前列，多年深耕下具备较多行业成果根据国家支持产权局专利审查协作北京中心发表的《量子通信技术专利布局及发展趋势研究》论文，截至2021年 5 月 27 日，在 DWPI 数据库中检索量子相关关键字后，我国在量子通信领域专利申请数量为2599件，为当前世界各国中专利申请最多国家，我国量子通信发展具备其竞争优势。
在行业成果方面，我国在量子通信领域当前已经具备较多成果应用，且多项成果具备国际领 先水平。
行业政策和国家支持方面，我国也出台了一系列相关政策，强调要培育量子通信等战略性新兴产业，加快量子科技向实用化、工程化转化。
4. 量子通信主要公司：IDQ为行业龙头，国内多家量子公司各具优势IDQ（ID Quantique）
IDQ 创始于2001年，是全球创建最早、产品经验最丰富的量子通信龙头企业。IDQ最早推出商用 QKD、QRNG 产品，并 2020年全球首家推出量子安全芯片，三星运用其技术发布了5G量子安全手机。
国盾量子（688027.SH）
国盾量子成立于2009年，是全球领先的量子通信设备制造商和量子安全解决方案供应商， 提供量子加密硬件。
公司技术起源于中国科学技术大学，目前已逐步成长为全球少数具有大规模量子保密通信网 络设计、供货和部署全能力的企业之一。
公司为各类光纤量子保密通信网络以及“星地一体”广域量子保密通信网提供软硬件产品，推动量子保密通信网络和经典通信网络的无缝衔接，为政务、金融、电力等各行业和领域的客户提供量子安全应用解决方案。
公司2020年实现营收1.34亿元，实现归母净利润2949万元。
截至2021年6月30日，公司已经拥有专利261项，其中发明专利90项、实用新型专利129项、外观设计专利42项，计算机软件著作权209项，在量子通信领域专利数量保持领先地位。
九州量子（837638.NQ）
九州量子成立于2012年，是一家具备量子应用全产业链的企业。
公司技术团队囊括了来自量子技术、芯片、光通信、信息安全等领域的人才，以及通信运营 建设、终端产品开发方面的专家。以加速科研成果产业化为思路，力促量子技术产业快速发 展。
在研发成果转换成产品方面，九州量子始终保持行业领先地位。
目前涵盖以新 1 代子密钥分发设备(QKD)和单光子探测器等为代表的量子网络基础建设设备和以量子随机数发生器(QRNG)和量子密钥云为代表的量子密码应用产品两大系列，在核心技术上 多项指标达到国际领先水平。
公司专注于量子技术产品研发和量子安全加密应用产业化的实践，将具备全球领先优势的量 子安全加密产品以及整体解决方案应用于量子政务、量子交通、量子公安、量子金融、量子 能源等领域。公司2020年实现营业收入0.51亿元，实现归母净利润-5478万元。
截至2021年6月30日，公司共申请专利130项，其中发明专利申请72件、实用新型专利申请55件、外观专利 3 件。
问天量子
问天量子是我国首家从事量子信息技术产业化的高新技术企业。
公司成立于2009年，由芜湖市建设投资有限公司、中国科学技术大学共同投资成立，注册资本5854万元。
公司依托中国科学院量子信息重点实验室的强大科研力量，致力于为国家和社会提供更加有效的信息安全保障。
公司现已建成省级量子安全工程技术研究中心、院士工作站、合肥研究院等量子信息研发平 台，并在合肥、江苏、北京、沈阳、广州、福州等地成立子公司，整体研发实力雄厚。拥有 点对点量子密码通信技术、量子密码通信组网技术、量子密码通信核心器件等多项国际和国 内专利，已经构建起具有自主知识产权的完整量子密码通信核心技术体系。
公司自主研发的产品涵盖量子密码通信终端设备、网络交换/路由设备、核心光电子设备与模块、开放式实验系统、量子信息科研仪器设备、网络化安全管控和应用软件等，并提供量子信息安全系统整体解决方案。
本源量子
本源量子成立于2017年，是国内量子计算龙头企业，团队技术起源于中科院量子信息重点 实验室。
公司专注量子计算领域开发，是中国第一家研发、推广和应用量子计算机的创新公司。
本源司南是公司2020年面世的国内第一款量子计算机操作系统。
本源量子聚焦量子计算产业生态建设，打造自主可控工程化量子计算机，围绕量子芯片、量子计算测控一体机、量子操作系统、量子软件、量子计算云平台和量子计算科普教育核心业务，全栈研制开发量子计算，积极推动量子计算产业落地，聚焦生物科技、化学材料、金融 分析、轮船制造、大数据等多行业领域，探索量子计算产业应用，争抢量子计算核心专利。
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