2020-2021全球量子通信产业发展研究报告.pdf

2020-2021全 球 量 子 通 信 产业 发 展 研 究 报 告 第1 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.13 1、 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 ).29 4、 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 ).50 17、 SK 电 讯 (韩 国 ).5118、 东 芝 (日 本 ).5219、 中 兴 通 讯 (中 国 ).52 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 （ QuantumCryptography） 、 量 子 隐 形 传 态 （ QuantumTeleportation） 、 量 子 密 集 编 码（ Quantum DenseCoding） 、 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 （ ClaudeShannon） 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 DA PA 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 （ ArgonneNationalLaborato