2020-2021全球量子通信产业发展研究报告.doc

2020-2021全球量子通信产业发展研究报告目录第一章：引言21、本报告的背景22、本报告的目标和范围2第二章：量子通信相关技术31、量子密钥分发（QKD）32、量子隐形传态（QT）93、量子通信网络11第三章：量子通信网络建设的现状与趋势131、全球量子通信网络建设情况132、中国量子通信网络建设情况183、全球量子通信行业规模20第四章：量子保密通信产业链分析231、产业链结构232、产业链上游分析253、下游用户市场分析26第五章：量子保密通信行业主要公司分析271、ABB(收购 Keymile)272、国盾量子(中国)273、问天量子(中国)294、ID Quantique (瑞士)305、KETS Quantum Security (英国)346、KPN(荷兰)367、MagiQ Technologies（美国)368、三菱电机(日本)389、诺基亚(芬兰)3810、 NTT(日本)3911、 神州国信4012、Nucrypt(美国)4213、Quantum Xchange (美国)4414、Qubitekk(美国)4615、QuintessenceLabs(澳大利亚)4816、雷神(美国)5017、SK 电讯(韩国)5118、东芝(日本)5219、中兴通讯(中国)52第 1第一章：引言1、本报告的背景量子通信（Quantum Communication）是利用物理实体粒子（如光子、原子、分子、离子） 的某个物理量的量子态作为信息编码的载体，通过量子信道将该量子态进行传输到达传递信 息目的，是量子信息科学的重要研究分支。其核心在于以量子态来编码信息并传输，其通信 过程服从量子不确定性原理、量子相干叠加和量子非定域性等量子力学的基本物理原理。量 子通信主要包含量子密码（Quantum Cryptography）、量子隐形传态（Quantum Teleportation）、 量子密集编码（Quantum Dense Coding）、量子信息论等研究分支。目前，量子密集编码技术处于基础研究阶段，实验条件尚不成熟；量子隐形传态技术近期取 得突破性进展，但离实用尚有距离；量子密码发展最为成熟，正迅速走向实用化。量子密码，也被称为量子保密通信技术，其包含量子密钥分发（QKD）、量子安全直接通 信（QSDC）、量子秘密共享（QSS）、量子认证（QA）、量子公钥加密（QPKC），量子 保密查询等研究方向。其中，QKD 技术在理论和实验上发展最完善，是当前最重要、最主 流的量子保密通信技术。2、本报告的目标和范围本报告主要关注的是量子通信技术中发展最成熟的量子保密通信技术，文章重点论述了最接 近实用化的量子密钥分发技术（QKD）和量子通信网络，下文中以 QKD 技术代指量子密钥 分发技术。本报告所统计量子保密通信市场规模，不包括传统光纤网络的投资建设费用。第二章：量子通信相关技术1、量子密钥分发（QKD）1949 年，信息论的创始人香农（Claude Shannon）发表论文保密通讯系统理论，他证明 如果密钥长度与明文长度一样长，且只使用一次，那么加密的信息是绝对无法破译的，俗称 一次一密。但在密钥分发过程中仍是存在风险的。量子密钥分发（QKD）则不同，它应用了量子力学的基本特性，确保任何企图窃取传送中 的密钥都会被合法用户所发现。窃听者如果要窃听量子密码，必须进行相应的测量，而根据 不确定性原理和量子不可克隆性，他的测量必定会对量子系统造成影响，从而改变量子系统 的状态。这样，窃听者窃听到的就不是原来的信息了，通信双方也能立即觉察到窃听者的存在，即刻 中止通信。目前，实现量子密钥分发有两种形式：离散变量量子密钥分发（DV-QKD）和连续变量量子 密钥分发（CV-QKD），其中 CV-QKD 技术出现时间相对较晚，近十几年来凭借其先天优 势得到了迅速的发展。1999 年，澳大利亚科学家 Ralph 首次提出 CV-QKD 的想法。CV-QKD 技术编码信息在光场 的正则分量上，系统只需要普通的相干激光器、平衡零差检测器，成本低、实用性强，且在 同等条件下其输出的密钥率远高于 DV-QKD 技术，与传统光通信网络融合性高。但是，目前 CV-QKD 技术在安全传输距离方面还不如 DV-QKD 技术。因此，DV-QKD 技术 和 CV-QKD 技术各有其应用侧重方向，可以形成很好的互补关系，具备了构建商业化系统 的条件。（1）DV-QKD离散变量（DV）QKD 协议通常采用弱相干光源作为量子光源，通过对产生的离散的光脉冲 进行偏振调制或者相位调制等方式制备需要发送的量子态，常见的离散变量 QKD 协议包括 Bennett 和 Brassard 提出的 BB84 协议以及后来改进的 B92 协议等。BB84 协议与 B92 协议的安全性已经得到了系统的证明，在证明过程中要求系统中采用理想 的单光子源。但在实际 QKD 系统通常采用弱相干光源来替代单光子源，弱相干光源产生的 激光脉冲中含有的光子数符合 Poisson 分布。图 1 弱相干光源产生 n 光子的概率分布1984 年，IBM 的 Charles Bennett 和蒙特利尔大学的 Gilles Brassard 提出了第一个实用型量子 密钥分发协议BB84，正式标志量子保密通信的诞生。BB84 协议的基本原理是，收发双方的信息内容是可以被编译成光子偏振的，发送方 Alice 利用随机偏振发送信息，接收方 Bob 发现并记录下信息。然后，Alice 在公频告知 Bob 偏振 频率，双方按照正确的偏振比对选择的信息部分。如下图所示，Alice 有四种偏振片，包括水平和垂直方向（组成一组正交基）、45和+45 方向（组成一组正交基），因此可以制备四种不同偏振方向的光子。与此同时，Bob 有两种 测量基，第一种可以接收和测量水平或垂直方向的光子，判断是 0 还是 1，为直线机；同理 第二种能接收和测量-45或+45的光子，判断是 0 还是 1，为对角机。图 2在测量的时候，我们只能随机选择直线机和对角机中的一种来看光子是否通过。如果刚好选 对了，那么测得的结果 100%准确，如果选错了，只有 50%的可能性是正确的。因为检测器 是随机选择的，所以，测得的结果的准确率应该是放对的 50%，再加上放错的一半中仍有 一半的概率正确（25%），最后得到 75%。然后，就可以建造一个基于 QKD 的量子保密通信系统了。如下图所示，其中上路负责密钥 分发，下路负责传输加解密数据。在上路中，量子信道负责传输量子密钥，而经典信道负责 传输测量基等额外需要的信息。所谓经典通道是指无线电或互联网等常用的信息发送通道。图 3现在我们就来看看，Alice 发送了 0 和 1 组成的信息串之后，Bob 这方接收的情况。首先，Bob 收到一串由量子比特构成的信息后，将每一个量子比特随机地放进两种检测机中 的一种，并将记录下来的测量结果和自己选择的检测机器顺序，从经典通道发回给 Alice。然后，Alice 通过比较 Bob 接收到的和她自己发送时的数据，算出 Bob 测量结果的正确率。 如果这个数值大约是 75%，说明信息没有被窃听。于是，Alice 就把原来数据中 Bob 用对了 机器的那些量子比特的序号挑选出来并通过经典通道发送给 Bob，这些量子比特就作为通信 的密钥。然而，如果量子比特在传输中途被窃听了的话，这个量子比特就因为被窃听者测量过而改变 状态了。因此，窃听者的存在将给 Bob 得到的最后结果引入误差。这样，Alice 比对自己与 Bob 的数据之后，发现正确率偏离了 75%，就能知道有窃听者存在，她便会丢弃这次传输的 数据不用，而立即换用另一个量子通道。继 BB84 协议后，1991 年，牛津大学的 Artur Ekert 提出了一个利用 EPR 纠缠关联进行密钥 分发的 Ekert91 协议。1992 年，通过数学证明发现 Ekert91 协议与 BB84 协议是等价的。同年，Bennett 和 Brassard 提出了 BB84 协议的简化版本B92 协议。区别于 BB84 协议中四种量子态的使用，B92 协议只使用两种量子态。至此，形成了量子保密通信的三大主流 QKD 协议。基于此三大协议，各国学者提出了诸如 六态协议、正交态协议等各种衍生的 QKD 协议。作为最早出现的量子密钥分发技术，到目前为止，离散变量 QKD 取得了瞩目的成就。但也 存在一些局限性：1）理想单光子源制作成本昂贵，且理想的单光子也很难被制备。DV-QKD 采用弱相干光源 来替代单光子源。采用弱相干光源作为 BB84 协议的量子光源，其产生的激光脉冲中含有的 光子数符合 Poisson 分布，可能含有光子，也可能不含光子，含有几个光子都有可能，导致 密钥分发效率较低。2）单光子探测器制作成本高。3）密钥生成速率较低。在制备单光子时候，会出现一些空脉冲，致使无效数据很多，加之 传输过程中会有不可避免的损耗，导致最终密钥生成速率较低。攻击者可以通过光子数分束攻击（Photon number splitting attack，简称 PNS 攻击）窃听部分 密钥信息而不被发现。为了抵御 PNS 攻击，2003 年 W-Y. Hwang 提出诱骗态（Decoy）QKD 协议的思想。他建议在 BB84 协议中，发送方 Alice 在产生量子光脉冲的同时随机产生不同强度的诱骗态 脉冲，接收方 Bob 通过分析收到的不同强度的脉冲被探测的概率，判断是否受到第三方的 攻击，从而确保双方协商生成安全密钥。2005 年，H. K. Lo 和 X. B. Wang 等人提出了诱骗态 BB84 协议改进方案，并给出了严格的 安全性证明。中国量子“京沪干线”采用的 QKD 协议就是诱骗态 BB84 协议。（2）CV-QKD连续变量（CV）QKD 采用相干激光作为光源，通过在光场的连续正则分量上面编码信息来 实现。澳大利亚学者 Ralph 在 1999 年和 2000 年先后从实验角度首先提出了利用连续变量进行量子 密钥分发的概念。由于连续变量量子保密通信避免了单光子通信的诸多问题，迅速成为量子 保密通信的研究热点。2000 年，M. Hillery 把光场的正则振幅(X)和正则相位(P)作为量子信号的载波，提出了一个 基于压缩态的连续载波离散调制 QKD 方案。2002 年，F. Grosshans 和 P. Grangier 提出了一个基于相干态的、采用正向协调的高斯调制CV-QKD 方案，即 GG02 协议，并且，证明了在单独攻击下的此协议的安全性。图 4 高斯调制量子密钥分发协议（GG02 协议）流程然而正向协调限制了在信道损耗大于 3dB 时无法实现安全的密钥分发。为此，F. Grosshans 和 C. Silberhorn 分别设计了逆向协调及后向选择协调，使得信道在任何衰减环境下均可实现 安全密钥分发。与 DV-QKD 不同，CV-QKD 可以采用较高的平均光子数，同时采用平衡零差探测方式可以 使得探测频率轻易达到 GHz，易于设计实现高速的 QKD 系统。具有高速率、抗干扰能力强 和易于与经典光纤网络集成等特点。具体而言：1）量子光信号的制备容易。CV-QKD 技术采用相干态，所以使用普通的相干激光器，然后 通过衰减就可以制备而成。此外，由于采用该种信号源，使得存在于实际 DV-QKD 系统中 的 PNS 攻击将不复存在。2）光信号的调制方式易与经典相干光通信进行结合。CV-QKD 技术采用高斯调制对光信号 的相位和振幅进行调制，这就与经典的正交振幅调制（QAM）技术非常类似。要知道经典 光通信技术的研究已经非常成熟了。3）光信号的检测手段非常经典。CV-QKD 技术采用散粒噪声极限下的平衡零差（Homodyne） 或者平衡外差（Heterodyne）探测器对光信号的量子态进行探测。这类探测器相比于单光子 探测器，成本低、实用性强，而且更加安全。4）密钥率更高。由于 CV-QKD 技术采用相干光，受到经典光信号的干扰会降低很多，这样 就可以很好的利用波分复用技术和经典光进行融合，提高通信容量；此外，平衡探测器自身 具有滤频的作用，这样就可以保证只有量子信号波段可以通过，同时也可以滤除掉拉曼噪声。但是 CV-QKD 实用化进程中仍旧还存在一些问题或者瓶颈需要解决：1）提高传输距离。相比较 DV-QKD 系统的传输距离，CV-QKD 系统的传输距离虽然目前已 达到 150Km，但是仍显不足。而且如果要很好的和现有通信系统进行结合，提高安全传输 距离势在必行。2）提高系统稳定性。虽然相比单光子而言，CV-QKD 技术采用了相干态光源，但是仍属于 微弱光子数级别，也非常容易受到外界环境的干扰。光源的不稳定、偏置电压抖动、光纤的 双折射效应、以及相位的漂移等都会对实际系统的长时间稳定运行造成影响，从而阻碍系统 实用化的进程。3）提高系统实际安全性。任何一个实际的系统都会存在有不完美性，那么为了使其更好的 步入实际应用，增强 CV-QKD 系统的实际安全性十分重要。此外，通过对实际系统的漏洞 和攻防手段的研究，也可以发现和提出一些更加优秀的 CV-QKD 协议。（3）MDI-QKD理论上 QKD 可以为通信双方提供信息论安全的密钥，但是实际的 QKD 系统很难满足安全 协议证明中假设的各种理想化的模型。实际 QKD 系统的设计实现往往会泄露一定程度的侧信道信息。攻击者 Eve 可以利用侧信道 获取一部分的密钥信息，从而降低系统的安全性和可用性，常见的侧信道攻击方式包括时移 攻击、伪态攻击、强光致盲攻击等。针对上述问题，A. Acn 等人提出全设备无关（Device independent, DI）QKD 协议，不需要 了解 QKD 设备工作的详细情况，基于 Bell 不等式可以证明其安全性。然而，由于要求通信 双方具有极高的探测效率且能够容忍的量子密钥误码率（QBER）较低，DI-QKD 系统难以 在实际应用场景中发挥作用。2012 年，多伦多大学的 H. K. Lo 等人提出了测量设备无关（Measurement-Device-Independent,MDI）的 QKD 协议，可以消除探测器侧信道漏洞，同时可以极大的增大通信距离。在 MDI-QKD 中发送方 Alice 和接收方 Bob 分别随机制备 BB84 弱相干态，然后发送给一个 不可信的第三方 Charlie 进行贝尔态测量，根据 Charlie 公布的贝尔态测量结果 Alice 和 Bob 建立安全的密钥。2、量子隐形传态（QT）QKD 应用了量子通道，但传输的仍是经典信息，而不是将信息编码在量子比特上，在量子 通道上将量子比特从甲方传给乙方，直接实现信息的传递。1993 年，Bennett 和 Brassard 等六人提出了隐形传态协议（teleportation protocol），并利用 两个经典比特信道和一个缠绕比特实现了一个量子比特的传输。这个传输过程利用的是量子纠缠态。先是制备两个有纠缠的量子（粒子）对 A 和 B，Alice 和 Bob 各持一个。然后，Alice 对需要传送的量子态 X 和她手中的 A 做贝尔测量。贝尔测量 是一种特殊的测量，要让两个粒子陷入纠缠。测量后，X 的量子态坍缩了，但它的状态信息 隐藏在 A 中，使 A 也发生变化（但并非坍缩）。图 5因为 A 和 B 互相纠缠，A 的变化立即影响 B，让 B 也发生变化。不过这个时候 Bob 还不能 观察 B，直到从经典通道得到 Alice 传来的信息。Alice 将测量结果（即 A 发生的变化）告诉 Bob，然后，Bob 对 B 进行相应的变换处理，就 能使 B 成为和原来的 X 一模一样的量子态。这个传输过程完成之后，虽然 X 坍缩了，但 X 所有的信息都传输到了 B 上，因而称之为“隐形传态”。1997 年，奥地利 Zeilinger 小组首次成功实现了量子隐形传态通信；同年，还在奥地利留学 的潘建伟和荷兰学者波密斯特等人合作，首次实现了未知量子态的远程传输。2004 年，潘建伟小组在国际上首次实现五光子纠缠和终端开放的量子态隐形传输，此后又 首次实现 6 光子、8 光子纠缠态；2011 年，在国际上首次成功实现了百公里量级的自由空间 量子隐形传态和纠缠分发，解决了通讯卫星的远距离信息传输问题。近年来，QT 研究在空、天、地等平台上积极开展实验探索。2017 年，中科大基于“墨子号” 卫星，实现星地之间 QT 传输，低轨卫星与地面站采用上行链路实现量子态信息传输，最远 传输距离达到 1400 公里，成为目前 QT 自由空间传输距离的最远记录。2018 年，欧盟量子旗舰计划成立了量子互联网联盟（QIA），采用囚禁离子和光子波长转换 技术探索实现量子隐形传态和量子存储中继，计划在荷兰四城市之间建立全球首个光纤 QT 实验网络，基于纠缠交换实现量子态信息的直接传输和多点组网。2019 年，中科大潘建伟、陆朝阳等和奥地利维也纳大学 Zeilinger 小组合作，在国际上首次 成功实现高维度量子体系的隐形传态。自 1997 年实现二维量子隐形传态实验以来，科学家 第一次在理论和实验上把量子隐形传态扩展到任意维度，为复杂量子系统的完整态传输以及 发展高效量子网络奠定了基础。3、量子通信网络量子保密通信网络核心设备包括 QKD 产品、信道与密钥组网交换产品等。目前能够实现的 量子保密通信网络，包括局域网、城域网和骨干网。其中局域网实现一个单位或一处地点内多个终端的接入，对距离要求不高；城域网负责城市 范围内不同区域的连接，上联骨干网，下联局域网；而骨干网实现跨省、跨城的连接（包括 地面光纤和卫星-地面站两种实现方式），现阶段以地面光纤为主，对距离要求高。图 6 域域网拓扑结构示意中国早已实现百公里量级无中继密钥分发，因此普通的 QKD 产品就能满足局域网、城域网 的连接。但随着距离增加，传输损耗会越来越大，因此骨干网的建设就要用到高速 QKD 产品，比如 高速偏振编码 QKD、时间-相位编码 QKD，拥有集成工作频率最高达 GHz 量级的量子信号 发射或接收模块，能够满足高速远距离的量子密钥分发需求。最后，建设骨干网不可或缺的还有可信中继站，其作用是在骨干网可信节点间完成量子密钥 分发，再利用“一次一密”方式对量子密钥进行加密传输，以实现更远距离的密钥分发。通过可信中继的方式，中国之前已经在量子保密通信京沪干线上，实现了距离 2000 公里的 量子密钥分发，“墨子号”也完成了 7600 公里的洲际量子密钥分发。比如，京沪干线上的中继节点有 32 个。但是可信中继的安全性依赖于人为因素，其安全程度不会超越现有的传统加密。例如，如果 墨子号被别人控制了，那么就存在密钥泄露的风险。远程量子通信确保安全性，需要“量子 中继”，而量子中继的研制依赖于高速确定性纠缠光源和可实用性量子存储器的研究，但是 所有这些核心器件仍然处于基础研究阶段，离实际应用还很远。还有一种方法是扩大无中继密钥分发的距离，2020 年 6 月 15 日，中科院宣布，墨子号量子 科学实验卫星在国际上首次实现千公里级基于纠缠的量子密钥分发。将以往地面无中继量子 密钥分发的空间距离提高了一个数量级。在实验中，卫星作为纠缠源，只负责分发纠缠，本身并不掌握密钥的任何信息，这样所生成 的密钥不依赖可信中继，进一步提升了量子保密通信的现实安全性。第三章：量子通信网络建设的现状与趋势1、全球量子通信网络建设情况2016 年，英国政府办公室发布的“量子时代的机会”研究报告中描绘了量子通信应用发展 趋势。目前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。图 7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。1）美国量子通信网络 DARPA 量子通信网络2002 年开始，由 DARPA 资助以及 BBN 公司、哈佛大学和波士顿大学联合开发，美国在剑 桥开始建造第一个量子通信网络。2005 年 5 月之前，该网络共运行 6 个节点。2005 年 5 月 后不久，节点则增加到了 10 个，其中 4 个节点之间使用基于弱相干态相位编码 BB84 的光 纤量子密钥分发技术，采用光开关切换连接构成无中继网络。此外，其他链路通过中继接入， 包括两条自由空间链路和一条基于纠缠的量子密钥分发链路。图 8 美国 DAPA 网络拓扑结构美国首个商用量子加密通信网络2012 年，美国伯特利公司和瑞士 IDQuantique 公司合作，开始着手建立美国首个商用量子加 密通信网络伯特利量子通信网络。2013 年 10 月，在 IDQuantique 公司的帮助下，伯特利公司成功建立起了全长约为 12 英里的 量子保密通信网络。2014 年初，伯特利量子网络的第一阶段已经完成。Battelle 量子通信网络2013 年，美国 Battelle 公司公布了环美量子通信网络项目，计划采用瑞士 IDQ 公司设备，基 于点对点量子密钥分发结合可信节点中继的组网方式，为谷歌、微软、亚马逊等互联网巨头 的数据中心提供具备量子安全性的通信保障服务。“量子环路”2020 年，美国能源部阿贡国家实验室（ArgonneNationalLaboratory）和芝加哥大学的科学家 们在芝加哥郊区创建了一个 52 英里（83 公里）的“量子环路”，建立了美国最长的陆基量 子网络之一，该网络将与能源部费米实验室连接，建立一个 80 英里的三节点试验台。2）欧盟 SECOQC 量子通信网络2006 年开始，欧盟成立了包括英国、法国、德国、意大利、奥地利和西班牙等国 40 个相关 领域的研究组在内的 SECOQC 工程。2008 年 10 月，SECOQC 在奥地利维也纳现场演示了 一个包含 6 个节点的量子通信网络，集成了单光子、纠缠光子、连续变量等多种量子密钥分发系统，建立了西门子公司总部位于不同地点的子公司之间的量子通信连接，包括电话和视 频会议等。该网络在组网方式上完全基于可信中继方式，使用了多种量子密钥分发协议，演 示了可信中继方式组网的兼容性。该网络中包含基于 COW 协议的量子密钥分发设备、IDQ 公司的即插即用式量子密钥分发设备、东芝欧研所的弱相干态量子密钥分发设备、基于纠缠 分发的量子密钥分发设备、连续变量量子密钥分发设备以及一条 80m 的自由空间链路。图 9 欧洲 SECOQC 网络拓扑结构3）瑞士日内瓦量子通信网络2009 年 3 月，瑞士日内瓦量子通信网络完成建设并在之后运行了超过一年半的时间。该网 络共有 3 个节点，测试了商用环境下量子密钥分发的长期可靠性，开发了密钥管理层来管理 网络产生的量子密钥，最终用户通过应用层请求并获取该网络中的量子密钥。4）西班牙马德里量子通信网络西班牙研究人员在 2009 年报道了他们在马德里建立的城域量子通信网络试验床，包括骨干 网和接入网。该网络集成于现有的光通信网络中，尽可能多的使用工业级技术，研究在已有 网络中部署量子通信网的流量、限制和成本。该量子网络的骨干网是一个环形结构，量子信 道 使 用 1550nm 波 长 ， 经 典 信 道 使 用 两 个 波 长 ， 为 1510nm 和 1470nm 。 接 入 网 使 用 GPON(Gigabit Passive Optical Network)标准。5）南非德班量子通信网络2010 年 5 月，南非德班市建成了一条量子密钥分发链路，连通德班市内的两个地点。该链 路两点间的通信使用分发的量子密钥结合 AES 算法加密，加密后的经典通信速率可达 1Gb/s。 该链路在南非世界杯期间成功运行，用于前方和后方的新闻传输。6）日本量子通信网络 东京量子通信网络2010 年 10 月，日本 NICT 主导，联合 NTT、NEC、三菱电机、东芝欧研所、瑞士 IDQ 公 司和奥地利 AllVienna 共同协作在东京建成了 6 节点城域量子通信网络。该网络也是一个基于多种量子密钥分发协议的混合展示，集中了当时欧洲和日本在量子通信技术上开发水平最 高的公司和研究机构的最新技术，最远通信距离为 90km，并在全网络上演示了视频通话。图 10 日本东京 QKD 网络拓扑结构10000 用户量子通信网络2020 年，东芝、NEC 和三菱电机等十几家公司和研究机构正在领导一个全球量子密码通信 网络研究项目，计划用 5 年时间创建一个由 100 个量子密码设备和 10000 个用户组成的网络。7）英国量子通信网络 QCH 量子通信网络2014 年，英国 QCH 项目计划建立高码率的量子密钥分发链路，并在剑桥和布里斯托建设量 子通信网络。计划将量子密钥发送端系统芯片化、接收端系统半芯片化，并开展手持式量子 密钥分发系统和微波量子密钥分发系统分析与验证。2016 年 11 月，剑桥到布里斯托的量子 密钥分发链路已经搭建完成，下一步计划搭建剑桥和布里斯托的量子通信网络。8 用户域域量子通信网络2020 年 9 月，由英国布里斯托大学领导的一个国际研究小组在布里斯托建立了一个可扩展的城域量子网络来共享加密信息的密钥。这个网络能够连接 8 个或更多用户，跨越 17 公里 的距离。8）韩国量子通信网络3 节点量子通信网络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。首尔量子通信网络2016 年，SKT 报道了其在韩国首尔已经建成的量子通信网络，量子密钥分发链路长 35km， 连通了 SKT 在首尔的两处研发机构，通过该链路将一个无线局域网接入 SKT 的互联网骨干 网。SKT 自行研发了量子密钥分发设备，设备所采用的机箱平台近似于传统的电信通信设 备，其量子密钥分发模块可以在 50km 距离下达到 10kb/s 量子密钥成码率。政府量子通信网络2020 年 11 月，IDQ 和韩国电信媒体服务提供商 SK 宽带宣布，他们已被选中来建设韩国 48 个政府组织的通信网络。韩国将建成除中国以外世界上最大的运营 QKD 网络。9）俄罗斯喀山量子通信网络2016 年，俄罗斯喀山量子中心与圣光机大学设计并在喀山建有多枢纽量子通信网络。该量 子通信网络目前连接了 4 个节点，利用了 Tattelecom 电信公司的光纤通信链路，其中 2 个节 点位于卡赞卡河不同侧的 Tattelecom 机房中，另外 2 个节点位于喀山量子中心不同地理位置 的机房中，节点之间的距离约为 10km。10）其他 荷兰宣告创建量子网络由荷兰代尔夫特理工大学（TUDelft）和国家应用科学研究院（TNO）合作的量子计算与量 子互联网研究中心 QuTech 宣布与 KPN（移动电信公司）、SURF（荷兰教育和研究机构的 合作协会）和 OPNT（电信设备供应商）发起一项合作，将在荷兰中西部兰斯塔德大都会区 内创建一个量子网络，包括阿姆斯特丹、鹿特丹、代尔夫特、海牙和乌得勒支等城市。这项 工作是一个 TKI（知识和创新顶级联盟）高科技系统与材料项目。QuTech、KPN、SURF 和 OPNT 四方各自贡献各自的专业领域，目的是利用高速光纤连接 建立第一个功能齐全、可编程的量子网络。除了根据量子理论提供安全通信外，项目的重点 是通过荷兰网络连接相距很远的不同量子处理器。加拿大宣告创建量子网络（CQN）2020 年 11 月，光量子计算领导者 Xanadu 宣布与 MaRS（加拿大初创企业孵化器）和创造性 破坏实验室（CDL）合作创建加拿大量子网络（CQN）。CQN 是加拿大的第一个量子网络。第一步是在多伦多创建一个三节点网络，三个节点分别 位于 Xanadu、MaRS 和 CDL，通过光缆连接，预计到 2021 年投入使用。CQN 将为合作组织 提供一个量子试验平台，以访问和开发量子密码、通信和计算方面的新型应用。中俄等国将建设金砖国家量子通信项目俄 罗斯 技术 国家集团 的设 瓦别 控股 公 司（ ShvabeHolding ） 与 金砖 国家 联 合研究 公 司（BRICSRresearch）宣布了一个与量子通信有关的项目。这个项目计划首次利用宏观光纤等最新元件，建立洲际卫星量子通信信道，覆盖距离将超过 1 万公里。项目资金是通过俄罗斯政府和其他四国拨出，俄政府代表设瓦别控股公司、科学和生产协会 Vavilov 国家光学研究所资助这项计划。此外，由南非、印度、中国和俄罗斯的专家组成的一个国际科学联合会正在开展建立基于光 纤和卫星通信技术的混合量子通信信道设备和基础设施实验部件的工作。量子通信项目融合 了金砖国家的多个成员国和世界各地的教育设施。南非是该项目的主要执行国，印度将负责 光纤通信的建模，中国将致力于卫星量子通信的路径。2、中国量子通信网络建设情况图 11 中国典型 QKD 网络架构1）京津量子通信网络2004 年，中国科学技术大学郭光灿团队完成了从北京望京河北香河天津宝坻的量子密 钥分发，所用的商用光纤长度可达 125km。2）北京星型量子通信网络2007 年，中国科学技术大学郭光灿团队在北京成功搭建了四用户星型量子通信网络。该网 络基于诱骗态方案实现量子密钥分发，网络中最长商用光纤链路可达 42km。3）合肥量子电话网2008 年 10 月，中国科学技术大学潘建伟团队实现了基于可信中继方式的量子电话网。该网 络基于商用光纤搭建，包括 3 个节点，分别位于杏林、中国科学技术大学、滨湖，有 2 条点 对点量子密钥分发链路，平均链路长度约为 20km。4）芜湖量子政务网2009 年 5 月，中国科学技术大学郭光灿团队在安徽芜湖建成了一个 7 节点的量子通信网络。 该网络中有 4 个节点由基于波分复用的被动式路由器连接，构成无中继干网。该网络链路长 度可达 10km，量子密钥成码率约 0.49kb/s。5）合肥全通型量子电话网2009 年 8 月，中国科学技术大学潘建伟团队在合肥建成了一个星型 5 节点全通型量子电话 网，实现了基于一次一密的安全保密通话功能。该网络采用全通型光交换机作为组网设备， 利用波分复用技术实现了量子信号和同步信号的共纤传输。6）合肥城域量子通信网络2012 年 2 月，合肥城域量子通信网络建成。该网络包括 46 个节点，采用基于集控站的组网 方式，三个集控站组成环形网络，通过集控站中的矩阵型光量子交换机实现星型网络拓展， 并保留了全通型光量子交换机下挂用户的结构，从而构成混合型网络拓扑。整个网络使用光 纤约 1700km，借助量子密钥分发技术，能够实现高安全等级的实时语音通信、文件传输等 功能。7）金融信息量子通信网2012 年 2 月，新华社和中国科大合作建设的金融信息量子通信验证网在北京开通，建成了 连接新华社新闻大厦和新华社金融信息交易所的“金融信息量子保密通信技术验证专线”， 包括四个节点、三个用户，形成了世界上第一个金融信息领域的量子通信应用网络。8）济南量子通信网络2013 年 11 月，济南城域量子通信网络建成并投入使用。该网络具有 56 个节点，接入 20 多 家单位的 90 余个用户。该网络能够提供基于量子密钥加密的语音、视频电话以及数据通信 服务，并且在网络中初步实现了设备管理、性能监控、拓扑管理等网络管理能力。主干网采 用集控站组网的方案，接入网采用了全通型光量子信道交换机进行链路汇聚。全网共有 437 条量子密钥分发链路动态工作，经过长期测试工作稳定。9）京沪干线量子通信网络2017 年 9 月，“京沪干线”量子通信网络正式开通，该干线开通后，实现了连接北京、上 海，贯穿济南和合肥全长 2000 多公里的光纤量子通信骨干网络。该网络沿线一共设置了北 京、济南、合肥、上海等 32 个可信中继站点，全线路量子密钥成码率大于 20kb/s，已在交 通银行、工商银行京沪间远程应用。10）星地一体化量子通信网络2017 年 9 月，“京沪干线”与“墨子号”量子科学实验卫星成功对接，在世界上首次实现 了洲际量子通信。这意味着全球首个星地一体化的量子通信网络已初具雏形。该网络已实现 北京、上海、济南、合肥、乌鲁木齐南山地面站和奥地利科学院 6 点间的洲际量子保密通信 视频会议。11）武汉量子通信网络2017 年 10 月，武汉市量子通信网络一期建成并开始运营。该网络是采用“经典量子波分 复用技术”的商用网络。用户的业务数据通信和量子密钥分发可以用一根光纤承载，减少了 对光纤资源的占用。该网络完全建成后将覆盖 60 个用户节点，目前主要面向政务领域提供 服务。12）星地一体环岛量子保密通信网络2020 年 10 月，海南省“星地一体环岛量子保密通信网络”项目签约。量子保密通信网 络将为海南自贸港政务、金融、交通、能源等领域提供高等级的安全服务。该项目还将在海 南文昌建设实用化量子卫星地面站，实现与“墨子号”的对接，从而将环岛量子保密通信网 络接入到国家骨干网，实现海南和北京、上海、广州等重要城市的跨域数据安全流通。表 1 主要量子通信网络对比表3、全球量子通信行业规模随着量子信息技术的发展，量子通信网络及其应用不断演进。目前，量子保密通信的应用主 要集中在利用 QKD 链路加密的数据中心防护、量子随机数发生器，并延伸到政务、国防 等特殊领域的安全应用；未来，随着 QKD 组网技术成熟，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、云存储等应用领域；长远来看，随着量子 卫星、量子中继、量子