为什么要发展量子通信技术？世界各国如何布局？

目前，我国在卫星量子通信方向领先美欧等发达国家五年左右时间，但国际上的技术竞争相当激烈。

2018年，有着诺贝尔奖风向标之称的“沃尔夫物理学奖”颁给了在量子通信领域做出突出贡献的两位科学家本内特（Charles H. Bennett）和布拉萨德（Gilles Brassard），二人的获奖原因是“建立和发展了量子密码学和量子隐形传态”。

这不是国际物理界颁给量子信息领域的首个大奖。自21世纪以来，以量子通信和量子计算为代表的量子信息学蓬勃发展， 相关领域已经囊括了多项国际物理学最高奖项，包括两次诺贝尔奖（2005年、2012年）和三次沃尔夫奖（2010年、2013年、2018年）。可以看出，量子通信和量子计算的重要科学意义已经得到了国际学术界的广泛认可。

量子通信是量子信息学的一个重要分支，它利用量子力学原理对量子态进行操控，在两个地点之间进行信息交互，可以完成经典通信所不能完成的任务。

量子密钥分发

本内特和布拉萨德二人最重要的成果之一是提出了量子密钥分发的BB84协议。量子密钥分发（即量子密码）是量子通信两个基本的研究方向之一，可以让空间分开的用户共享无法破解的密钥。

本内特（左）和布拉萨德（右）

根据现代密码技术的理念，一切秘密包含于密钥之中。这就是说，密码里面除了密钥以外，算法和协议都应该是可以公开的。因此，保障密钥分发的安全就是用密码技术保障通信安全的关键。

量子密钥分发可以实现无条件安全的密钥分发。“无条件安全”的意思是，就算窃听者有全宇宙最强的计算机，哪怕是量子计算机，也不能破解量子密钥分发，窃取密钥。这样，使用量子密钥分发技术可以帮助实现通信安全中机密性、真实性和完整性的无条件安全，也就是保证通信加密无法破译，保证对方身份真实可靠，保证信息无法被篡改。

如今，量子密钥分发已经成功实现商业化，在光纤中已经能做到几百公里，用卫星可以做到上千公里。特别的，这两个记录都是由我国科学家创造的，一个是光纤最远安全距离做到404公里，另一个就是“墨子号”做到的星地1200公里。

“墨子号”和京沪干线

由于信号的损耗，量子密钥分发在地面上走光纤直接传输有一个距离的上限。为了建设广域量子通信网络，拓展量子通信应用范围，目前有两种可行的关键技术，一种是量子卫星，另一种是可信中继。墨子号量子科学实验卫星和京沪干线，主要就是为了完成这两种关键技术的验证。

墨子号的全称是“量子科学实验卫星”。我国于2016年8月成功发射“墨子号”，到了2017年，星地量子密钥分发的成码率已达到10kbps量级，成功验证了星地量子密钥分发的可行性。目前经过系统优化，密钥分发成码率已能够达到100kbps量级，具备了初步的实用价值。

“墨子号”实现千公里级星地双向量子纠缠分发

此外，“墨子号”还有非常重要的基础科学目标，那就是开展量子物理基本问题检验：通过千公里量级的量子纠缠分发，能够首次在空间尺度检验量子力学的非定域性，并利用量子纠缠在地面和卫星之间实现量子隐形传态。2017年，“墨子号”已经圆满完成了这两个目标。

增加中继节点是实现距离更远的密钥分发的另一种方法。用户密钥可以通过各对相邻中继节点间的量子密钥加密传输。在中继节点“可信”时，也就是说中继节点的量子密钥保证安全保密时，通过“一次一密”的加密传输方法，就可以保证用户密钥传输的安全。这样的技术叫可信中继技术。

相比传统的密钥分发方案，量子密钥分发加可信中继的方案一是分发及时性好得多，二是安全保障对于人和计算能力安全性的依赖相对减少。

国际形势

• 空间量子通信

总体来看，目前我国在卫星量子通信方向领先美欧等发达国家五年左右时间，但国际上的技术竞争相当激烈。

2017年11月，欧洲空间局（ESA）向欧盟委员会提交了《空间量子技术》战略报告，指出欧洲应在五年内发射商用低轨量子通信卫星，研发高轨卫星、低成本立方星和地面站；

意大利2016年启动了Q-SecGroundSpace项目；

德国去年提出了测量36000公里高空卫星发射量子态的方案；

日本也在去年验证了用于星地量子密钥分发的高性能激光设备的可行性；

英国和新加坡正在联合建立基于立方卫星的量子加密卫星链路，并计划于2021年底投入运行。

据了解，美国国家航空航天局发布了空间量子实验白皮书，美国喷气推进实验室及加拿大航天局都在规划研制新一代量子通信卫星。

• 量子通信干线工程

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。

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；

英国正在建设英国国家量子通信测试网络，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；

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；

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。

• 美国

作为世界头号科技创新强国，美国也非常重视量子通信。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”。

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。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。

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。

值得一提的是，美国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。在2017年12月27日更新的针对“许可证例外”的说明中，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。