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中国量子通信产业化的「十五年」

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发布时间：2023-05-24

 

1984年，美国和加拿大提出了第一个实用型量子密钥分发系统——BB84方案，当时来自瑞士的量子物理学博士Nicolas Gisin正在美国的一家电信公司工作，这件事让他认识到了将量子力学应用在通信上的可能性。

 

四年后，36岁的Gisin回到日内瓦大学担任教授，成为首批将量子纠缠性应用于量子密码和真随机数生成的科学家之一。2001年，Gisin等人在实验上实现了量子机密共享的理论方案，并成立了量子通信公司ID Quantique。

 

IDQ成为第一个在现实网络环境中部署量子密钥分发的公司。此后，一批由研究机构孵化的量子保密通信初创型企业，开始探索量子加密和量子信息安全领域的产业化推广与应用。

 

 

根据2016年英国政府办公室发布的“量子时代的机会”研究报告，我们目前正处在量子保密通信的应用阶段，包括政务、国防等特殊领域的安全应用。
 
在量子密钥分发和量子保密通信试点应用领域，美国起步最早。2003年美国DARPA资助哈佛大学建立了世界首个量子密钥分发保密通信网络。此后，美欧日等多个国家和地区相继建成了瑞士量子、东京QKD和维也纳SECOQC等多个量子通信实验网络，演示和验证了城域组网、量子电话、基础设备保密通信等应用。
 
全球量子通信公司的核心技术主要来自大学和科研机构。比如，美国以麻省理工学院创立的MagiQ公司和洛斯阿拉莫斯国家实验室创立的Qubitekk公司为代表的量子保密通信产业公司，能够提供整套量子信息安全加密解决方案，在防务和电网基础设施等领域开展了应用推广服务，同时在量子通信专利和知识产权布局等领域也具有较强的实力和技术储备。
 
欧洲以瑞士日内瓦大学创立的IDQ公司和奥地利维也纳大学创立的AIT公司为代表的高校孵化型创业企业，在QKD技术研究领域具有多年技术积累，在技术路线和产业应用等方面多元化发展，已深耕QKD商业化应用多年，具有丰富的市场化推广经验。
 
此外，日本东芝公司、英国剑桥研究所和德国马克思·普朗克研究所的InfiniQuant公司为代表的研究机构和企业，在技术和应用研究领域相当活跃，掌握了集成化和芯片化等方面的关键技术，具有较高的市场竞争力，同时在QKD技术标准化方面也是主要推动力量。
 

 
国外量子通信目前处于示范性应用阶段。在美国，2016年研究机构Battelle建成俄亥俄至华盛顿650km量子保密通信光纤线路，并启动环美量子保密通信骨干网络计划，采用瑞士IDQ公司设备，通过可信中继方式建造环美国的量子通信骨干网络，为谷歌、IBM、微软、亚马逊等公司数据中心之间的通信提供量子安全保障服务。2018年，美国Quantum XChange公司公布连接华盛顿和波士顿的805km商用QKD线路建设计划。
 
2022年，美国佛罗里达大西洋大学、Qubitekk公司、美国国防承包商和信息技术服务提供商L3Harris合作，为美国空军开发首个基于无人机的移动量子通信网络。美国橡树岭国家实验室和Qubitekk公司合作在实际的智能电网数控系统上开展了基于QKD的安全认证(包含签名与验证)研究和试验。虽然美国国家安全局曾表示，QKD仍存在未被验证的问题，但从实际行动来看，美国与量子有关的国家实验室从未停止过QKD技术的研究和验证QKD网络的可使用性。
 
在欧洲，2016年欧盟发布《量子宣言》旗舰计划，预计10年内在欧洲主要城市建立量子保密通信城域网，目前已有意大利、西班牙等国开始进行QKD网络的建设和量子安全加密应用，如2018年6月，西班牙电信联合华为和马德里理工大学开创性地开展了基于SDN技术的QKD城域网络演示试验。欧盟计划2035年左右建成泛欧量子安全互联网。
 
2014年起，英国通过“国家量子技术计划”的项目布局和投资，开始建设伦敦、剑桥、布里斯托等地的量子保密试验网络，计划10年建成覆盖全境的实用化量子保密通信线路，并与欧洲连接，建成国际量子保密通信网络。
 
在亚洲，2010年，日本与欧洲联合建立东京量子保密通信试验床网络，多家科研机构持续开展现网试验。NTT、Toshiba等机构推动QKD研究与应用，开展政务和医疗等领域安全加密服务。2015年，韩国SKT宣布计划建设总长约256km连接盆塘、水原和首尔的星型量子保密通信网络，并计划在2025年建成全境量子保密通信网络设施，推广量子安全加密服务。
 
中国在量子通信方面起步虽不是最早，但却发展最快。随着“量子卫星”、“京沪干线”等重大项目的建设，中国量子通信技术已跻身全球领先地位。
 

QKD 公司所在国及成立时间比较。来源：ICV TAnk
 

 
上世纪90年代，在国际量子信息科学刚开始崛起时，中国科学院及下属中国科技大学迅速跟上，逐渐从跟跑变成并跑，甚至部分领跑，量子信息研究已成为中科大的旗帜。其中，有三位院士级别的量子信息学科带头人郭光灿、杜江峰、潘建伟。
 
2008年，中科大在合肥建成世界上首个光量子电话网，取得了在量子通信实用化上的重大突破。科学家们认为，在“第二次量子革命”中成立公司加快产学研结合，对中国是个机会。
 
最早迈出这一步的是2009年5月，潘建伟、彭承志团队创立“用量子技术保护每一个比特”的安徽量子通信有限公司（科大国盾量子前身），技术来源是合肥微尺度物质科学国家研究中心。同年7月，依托中科院量子信息重点实验室，郭光灿、韩正甫团队在安徽芜湖创立问天量子，这两家公司都是从事量子保密通信业务。
 
安徽量通成立当年，潘建伟团队参建国庆60周年阅兵“量子保密通信热线”。到2011年9月，国盾量子第一代GHz高速量子密钥分发产品问世。目前已拥有完整的量子保密通信网络核心设备，包括QKD产品和信道与密钥组网交换产品等。这些产品被部署在量子保密通信骨干网、量子保密通信城域网和行业量子保密通信接入网。
 

 
2012年，安徽量通参与建成包括合肥城域量子通信试验示范网、新华社金融信息量子通信验证网、十八大量子安全通信保障在内的多个项目。2014年，公司成立五周年时改名科大国盾量子。
 
进入2016年以后，开工建设和投入使用的网络数量和规模明显上升，其中绝大多数网络由国盾量子提供量子通信系列产品和解决方案，其中就有著名的“墨子号”量子卫星和“京沪干线”，以及济南、武汉、北京、上海、贵阳等多个城域网。
 
截至2018年末，中国已建成的实用化光纤量子保密通信网络总长（光缆皮长）达7000余公里，其中超过6000公里使用了国盾量子提供的产品且处于在线运行状态。
 
问天量子也是量子通信领域的佼佼者，2010年，公司研发生产的红外单光子探测器已实现量产，使得中国成为全球第三个可批量生产红外单光子探测器的国家。
 
2016年，问天量子与亨通光电合设研究院，于2017年合作完成首个广域网项目——“宁苏量子干线”，也是全球首条相位编码长距离广域商用量子干线。2017年9月，由问天量子和中国航天系统科学与工程研究院共同研发的国内首款量子加密手机正式发布。
 
2019年11月在亨通光电举办的新品发布会上，问天量子携手亨通光电发布量子密钥安全服务平台、量子安全加密盒、量子安全电话终端等量子保密通信新品和解决方案。目前拥有针对多个行业、多种应用场景的量子保密通信核心解决方案。
 
经过10年的探索和实践，国盾量子、问天量子已成长为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，中国量子保密通信的建设几乎都与这两家公司有关。其中，科大国盾量子已成长为中国第一家上市量子通信公司。
 
通过IPRdaily榜单，2022年入榜的中国公司有15家，共计804件发明专利，其中本源量子234件排在国内第一，百度网讯和浪潮分别以186件和95件排在国内第二和第三。最让人惊喜的是腾讯科技，两年前的榜单中仅2件专利，今年则爆发增加到93件，增长率达到了45.5倍，增速在所有入榜企业中排名第一。
 

 

根据欧洲专利局截至2022年11月初的数据集，中国在2022年新增的专利申请数量超过了美国。
 
随着技术的进步，2012-2014年，九州量子、神州量子、中创为量子等公司分别在浙江和北京成立。总的来说，2016年前参与量子通信竞争的只有少数几家企业，而在2016年世界首颗量子科学实验卫星“墨子号”发射成功后，量子通信成为热门产业。
 
这一年，《国家创新驱动发展战略》将量子信息技术列入发展引领产业变革的颠覆性技术。由中科院、中科大、国盾量子、阿里巴巴、中兴通讯等机构共同发起组建的“中国量子通信产业联盟”也刚刚在北京成立。
 
2016年，潘建伟、彭承志团队在上海成立了国科量子通信网络有限公司，中科院和中科大共同投资的国有控股企业，经国家发改委批复，承担国家广域量子通信网络建设运营的战略任务。通俗地讲，国科量子和国盾量子是运营商和设备商的关系。
 
同年，MagiQ公司前总工程师陈柳平回国创业，在北京成立启科量子。陈柳平在量子通信和量子计算领域已拥有长达20年的丰富科研及工程经验，带领研发团队于2003年推出了全球第一套商业化量子通信系统“Navajo”。
 
目前，启科量子已自主研发量子通信终端、网络交换/路由、光电子核心器件、量子控制与应用软件等系统。在政务、国防、金融、电力、能源、大数据等领域信息服务提供量子安全保障。
 
中科大的杜江峰团队也加入了创业大军，2016年在安徽成立了国仪量子，但公司业务并非量子通信，而是致力于发展全球领先的量子精密测量技术，包括量子探针制备工艺、量子态调控技术、量子态测量技术等。
 
2017年，量子通信领域成立了广东国腾量子、上海循态量子等公司，国腾量子的核心技术来自华南师范大学刘颂豪院士团队，而循态量子的核心技术来自上海交大曾贵华教授和汪超博士。两家公司业务与国盾量子、问天量子等差别不大，主要提供QKD成套设备。
 
作为一家初创公司，国腾量子已经与华南师范大学、清华大学等多家单位联合启动建设覆盖粤港澳大湾区的“广佛肇量子安全通信网络”。
 
继国科量子后，中科大在上海成立了国耀量子雷达。他们将量子技术应用于激光雷达，技术来源于潘建伟团队和窦贤康（现武汉大学校长）团队。公司瞄准环境保护、数字气象、航空安全、智慧城市、囯防安全等应用，生产世界高性价比的量子探测激光雷达。
 
与此同时，中科大、郭光灿、郭国平成立了国内第一家量子计算公司——本源量子，技术起源于中科院量子信息重点实验室，专注于量子计算全栈开发，各类软、硬件产品技术指标国内领先，已申请专利百余项。
 
量子信息产业化十余年来，不难发现，由于门槛太高，参与的公司数量有限，而且大部分公司的业务以量子保密通信为主，只有少数公司从事量子计算、量子测量等实用化难度较大的业务。
 
值得一提的是，这些公司几乎都有“亲缘关系”，由于中科院、中科大在量子通信领域遥遥领先，他们旗下的公司成为行业领头羊也顺理成章。其他公司竞争力有限，比如依托于华南师大的国腾量子，只能承建一些区域项目。
 

 
尽管量子通信处在发展初期，但是中国量子通信产业链已日趋完善。产业链上游主要是国盾量子、问天量子、九州量子等量子通信核心设备商，是量子保密通信产业链中最核心的一个环节。核心设备主要包括量子密钥分发设备、量子交换机、量子网关、量子网络站控、量子随机数发生器等。此外，量子保密通信还会用到经典通道，因此华为、中兴等通信设备商也在产业链中。
 

量子通信与安全上游 – 核心设备器件。来源：ICV TAnk
 

量子通信与安全中游。来源：ICV TAnk
 
与现有的通信网络类似，量子保密通信网络除了设备商还需要运维商，唯一的不同是，量子网络的运维不是垄断行业，不仅是量子网络公司可以参与，还有神州信息、中国通服等传统运维商。
 
比如“京沪干线”的建设，提供传输干线服务的公司是中国有线电视网络有线公司，提供系统集成服务的公司是神州数码系统集成服务有线公司（神州信息子公司）、中国通信建设集团有线公司（中国通服子公司）等。
 
量子通信产业链下游主要是各种行业应用，包括金融、军事、政务、商务等领域，这些领域对保密通信的需求较大。以国盾量子参建的项目为例：
 
济南市党政机关量子通信专网是中国首个已建成的应用于党政机关实用化的量子保密通信网络。网络覆盖济南地区的7区3县及高新区，提供基于量子通信技术的高安全级别语音通话业务，同时为市直及各级党政机关单位提供高速率的数据传输业务。
 
2018年，阿里巴巴与国盾量子、中兴通讯等合作在华东地区成功部署OTN量子安全加密通信系统。该加密通信的传输速率达到200Gbps，可服务于数据中心间的大容量数据加密传输。基于国盾量子提供的QKD设备，实现了物理层加密、分钟级密钥更新频率，形成了低成本、低延时、高速率的数据中心间量子安全加密通信方案。
 
金融方面，基于国盾量子的产品平台，工行成功地将量子通信技术应用到了其“两地三中心”架构下的京沪异地广域网应用中，实现了网上银行京沪异地数据的量子加密传输。这是全球银行业首次应用千公里级量子通信技术。
 

量子通信与安全下游-行业应用
 
尽管未来全部基础设施的用途还很难全部预测，但主要的应用都已基本确定。下游的公司/组织主要是国防军事、金融信息、能源网络、数据中心、智能驾驶、移动运营商、个人消费等对信息安全有较高需求的单位。目前，下游的采购方/供应商还以党政军单位、大型未来，随着QKD组网技术发展，终端设备趋于小型化、移动化，QKD还将扩展到电信网、企业网、个人与家庭、云存储等更广阔的应用领域。
 
根据2023年年初发布的报告，ICV TAnk认为，随着全球经济的逐步恢复，QKD的应用场景逐渐清晰与增多等，未来几年将是QKD行业快速增长的好阶段：到2025年，预计市场规模将达到35.04亿美元——这将是2022年的5倍。
 
不过，中国量子通信行业仍存在诸多短板，由于国内芯片企业发展不足，导致量子通信上游关键器件FPGA、单光子源、雪崩二极管等基本需要依赖国外进口。而且目前量子保密通信标准化体系处于建设阶段，产品处于大规模商业化应用的推广阶段。
 
但产业化的信心从未消失。正如中科大教授、本源量子创始人郭国平所说：“当蒸汽机只有0.01马力时，是比不过马匹的，但有何意义？它代表着时代发展的方向。”
 
过去很长一段时间，中国科学研究多是跟随式的，大多数是“从1到100”，而量子通信是中国为数不多“从0到1”的基础研究。虽然这个过程步履维艰，但只要沿着正确的方向坚持走下去，自然水到渠成。
 
过去十余年，已经开了个好头。未来，这个行业的精彩，必将超越想象。

 

 

 

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