网络信息安全之坚盾，量子通信应用持续加速落地.pdf

1/ 37 Table_Industry 通信行业 Table_Industry1 证券研究报告行业研究 通信设备 东吴证券研究所 请务必阅读正文之后的免责声明部分 Table_Main 信息安全系列报告之一：网络信息安全之坚盾，量子通信应用持续加速落 地 增持 (维持 ) 投资要点 信息安全 问题日益严峻 ， 无条件安全的 量子通信 将构筑信息安全之坚盾 。 我国信息安全问题严峻，根据 2016 年 CTO 企业信息安全调查报告，只有 3%的企业能完全应对信息威胁。此外， 2016 年中国信息安全总投资在 IT 总投入中占比仅达 1.04%，低于全球平均水平（ 2.34%），更 低于日本 、美国 等发达国家。随着勒索病毒等事件的催化，信息安全上升到国家高度。量子通信基于量子不可分割、不可克隆、一次一密、完全随机等原理克服经典通信被窃听的风险，从而实现无条件安全的通信方式。 我国 量子通信产业化箭在弦上 ， 产业应用 进入 导入 和 快速发展 期 ， 具有 较强的投资价值 ： 当前， 无论在技术储备、基础设施、应用领域、国家政策上，量子通信都具有充足的准备，量子通信产业发展箭在弦上。 1、 技术上 ， 以我国 潘建伟 、 郭光灿 院士 为代表的 量子通信 先驱在 理论 和 应用 技术 上已经取得 丰富的成果 ， 技术储备 已经 基本 完成 ；2、 基础设施上 ， 墨子号量子卫星 、 世界首条量子保密通信干线 京沪干线 、 国家广域量子保密通信骨干网络 都 部署完成 或者 已经 开始建设 ， 量子通信 已经具备 试验 环境和 应用场景 ； 3、 应用 领域 方面 ，我国在量子政务网、量子金融通信网已实现应用，未来除了在政务、金融、电力扩大应用外，还将 向企业云存储、数据中心乃至个人领域渗透 ； 4、 国家政策上 ， 针对 量子通信的专项投入和政策扶持 不断增加 ，将为其快速发展注入强劲的动力。 国家 高度重视 量子通信 技术发展 和 产业应用 ， 未来 量子通信市场快速发展 可期。 2018 年 政府工作报告 ， 将量子通信与载人航天、深海探测、大飞机并列为重大创新成果，认可量子通信行业地位和发展成果 ， 十三五规划、国家创新驱动发展战略、国家战略性新兴产业发展规划、2018 年新一代信息基础设施建设工程均将量子通信列为重点发展对象。国家 对 量子通信 产业 发展 的 期望 不断 提升 ， 对 量子通信产业 的 扶持 也 逐渐 增加 。 目前 ， 量子通信已具备产业化应用条件，将量子通信网 络与现有网络进行融合是主要的发展战略。 我们 预计主要应用于专网（政务、金融、国防军事、电力等，并有望成为最早和最直接的催化剂）、公众网、云安全及空天等特殊应用领域， 2017 年 市场规模在百亿级别，未来市场空间将有望超千亿。量子通信将成为网络信息安全领域的战略制高点。 投资建议 ： 量子通信产业链相关企业将 持续 受益。上市公司建议重点关注 凯乐科技、亨通光电、光迅科技、科华恒盛、浙江东方、 蓝盾股份、 福晶科技 、 三力士、 神州信息 、飞利信 ，非上市公司关注科大国盾量子、安徽问天量子、国科量子。 风险提示： 1、量子通信关键器件的研发进度导致产业化进展缓慢，产业应用规模和盈利不达预期。 2、量子通信是现代尖端科技和研究前沿，全社会大规模商用还需要一定时间，相关上市公司业绩影响可能较低。 3、量子通信初期应用成本较高，导致业务发展不及预期。 Table_PicQuote 行业走势 Table_Report 相关研究 1 东吴通信周报：工信部力挺冬奥会 5G 创新引领，持续关注通信行业景气度回升 -20180318 2 东吴通信周报：政府工作报告力挺 5G 发展，关注中小创，布局优质成长股 -20180312 3 通信行业： 5G 系列报告之一： TMT“中国高铁”， 5G创新引领全球 -20180314 4 东吴通信周报： MWC 成为5G 发展新里程碑，紧抓 5G龙头，布局新科技真成长 -20180304 5 东吴通信周报：发改委发文支持 5G 试验网建设项目，高规格工业互联网专项工作组成立体现政策支持 -20180225 Table_Author 2018 年 3 月 22 日 证券分析师孙云翔 执业证号： S0600518010002 010-66573632 sunyxdwzq 2 / 37 东吴证券研究所 请务必阅读正文之后的免责声明部分 Table_Yemei 行业深度报告 目录 1. 量子通信相比经典通信具有无条件安全性等众多优点 5 1.1. 量子密钥分配已实现产业化 . 5 1.2. 量子通信可克服经典通信被窃听风险 . 6 2. 量子通信已具备产业化条件 . 7 2.1. 量子通信已走出实验室 . 7 2.2. 我国量子通信技术世界领先、应用丰富 . 8 2.3. 量子通信列入国家十三五规划重点 . 12 3. 量子计算研发进展迅速，量子通信产业化箭在弦上 13 3.1. 量子计算的产业发展情况 . 13 3.1.1. 量子计算解决摩尔定律失效问题，从而带动计算能力的飞速提升。 . 13 3.1.2. 量子计算的研究和应用进展 . 13 3.1.3. 量子计算未来应用领域 . 17 3.2. 量子计算与量子通信，信息安全的矛与盾 . 18 3.3. 量子通信产业发展箭在弦上 . 20 4. 信息安全大背景下，量子通信市场快速发展可期 . 20 4.1. 信息安全问题严峻，国家高度重视 . 20 4.2. 从个人、企业到国家，量子通信提供无条件全方位安全防护 23 4.3. 量子通信产业链分析 . 26 4.4. 市场应用场景分析 专网、公众网、云安全 . 28 4.5. 市场规模测算 . 29 5. 相关公司 . 30 5.1. 凯乐科技（ 600260） . 30 5.2. 亨通光电（ 600487） . 32 5.3. 光迅科技（ 002281） . 32 5.4. 科华恒盛（ 002335） . 32 5.5. 浙江东方（ 600120） . 33 5.6. 蓝盾股份（ 300297） . 33 5.7. 福晶科技（ 002222） . 33 5.8. 三力士（ 002224） . 33 5.9. 华工科技（ 000988） . 34 5.10. 神州信息（ 000555） . 34 5.11. 飞利信（ 300287） . 34 5.12. 科大国盾量子（非上市公司） . 35 5.13. 问天量子（非上市公司） . 35 3 / 37 东吴证券研究所 请务必阅读正文之后的免责声明部分 Table_Yemei 行业深度报告 5.14. 国科量子（非上市公司） . 35 6. 风险提示 . 36 4 / 37 东吴证券研究所 请务必阅读正文之后的免责声明部分 Table_Yemei 行业深度报告 图表目录 图表 1：量子技术的主要应用方向 . 5 图表 2：量子通信学科分类 . 5 图表 3：量子密钥分配和量子隐形传态对比 . 5 图表 4：电缆窃听法 . 6 图表 5：光纤弯曲窃听法 . 6 图表 6：量子通信绝对安全实现原理 . 6 图表 7：合肥首个量子电话网 . 8 图表 8：墨子号量子卫星 . 10 图表 9：京沪量子保密干线 . 10 图表 10：广域量子通信网络规划图 . 11 图表 11：量子通信相关政策及讲话梳理 . 12 图表 12：国家广域量子保密通信骨干网络建设一期工程 . 13 图表 13： D-Wave 2X 量子计算机 . 14 图表 14： IBM50 位量子比特原型机 . 15 图表 15：量子计算五大技术流派 . 16 图表 16：超导量子计算机路线图 . 17 图表 17：量子计算在制药，化工和生物科技市场规模达到 3.1 万亿美元 . 18 图表 18：量子计算、量子通信在基础理论、技术路线和核心硬件的异同点 . 19 图表 19：中国企业信息安全现状 . 21 图表 20： 2016 年中美日信息安全投入比较 . 21 图表 21：中国信息安全市场规模及预测 . 21 图表 22：信息安全相关政策梳理 . 22 图表 23：量子通信在信息安全方面的应用机会 . 23 图表 24：量子政务网解决方案 . 24 图表 25：工商银行异地数据千公里级量子加密传输应用 . 24 图表 26：量子通信电力调度解决方案 . 25 图表 27：量子安全加密手机中兴天机 7S . 25 图表 28：量子通信系统组成 . 26 图表 29：一种典型的量子通信组网结构 . 27 图表 30：量子中继实现通信示意图 . 27 图表 31：量子通信产业链组成 . 28 图表 32：中国专网市场规模 . 30 图表 33：全球云安全市场规模 . 30 图表 34：中国量子通信市场交易规模预测 . 30 图表 35：融合量子通信技术的新兴数据链产品安全框架图 . 31 图表 36：利用非线性光学晶体制作量子纠缠 . 33 5 / 37 东吴证券研究所 请务必阅读正文之后的免责声明部分 Table_Yemei 行业深度报告 1. 量子通信相比经典通信具有无条件安全性等众多优点 1.1. 量子密钥分配已实现产业化 量子信息是量子力学和信息科学两个学科的融合，其应用可分为量子计算和量子通信（ Quantum Communication）。量子通信是由量子态携带信息的通信方式，它利用光子等基本粒子的量子纠缠原理实现保密通信过程。而按照传输的比特类型、应用原理等，量子通信类型主要可以分为：量子密钥分配（ QKD， Quantum Key Distribution）和量子隐形传态（ Quantum Teleportation），二者具有较大的不同。 图表 1： 量子技术的主要应用方向 数据来源：科普中国 ， 东吴证券研究所 量子密钥分配是使用量子态不可克隆的特性来产生二进制密码，为经典比特建立牢不可破的量子保密通信。目前量子保密通信已经步入产业化阶段，开始保护我们的信息安全。 量子隐形传态是利用量子纠缠来直接传输量子比特，目前还处于基础研究阶段，未来将应用于量子计算机之间的直接通信。 由于量子密钥分配已经实现产业化，因此我们通常说的量子通信狭义上指的就是量子密钥分配或者量子保密通信。量子保密通信是目前唯一接近成熟应用的量子通信，也是中国科学家在全球技术领先的项目之一。简单来类比，量子通信可视作单模光纤两端加上能代替常用光模块功能的、光量子态的发送和接收设备，实现基于物理加密的保密通信。 图表 2： 量子通信学科分类 图表 3： 量子密钥分配和量子隐形传态对比 量子通信类型 量子密钥分配 量子隐形传态 主要依据特性 量子不可克隆定理 量子纠缠态 传输的比特类型 经典比特 量子比特 是否用到量子纠缠 否 是 是否使用经典网络 是 否 通信的计算机类型 经典计算机 量子计算机 是否已经产业化 是 否 6 / 37 东吴证券研究所 请务必阅读正文之后的免责声明部分 Table_Yemei 行业深度报告 资料来源： 科普中国 ，东吴证券研究所 资料来源： 中科院物理所 ，东吴证券研究所 1.2. 量子通信可克服经典通信被窃听风险 经典有线通信主要通过电缆和光缆进行传输，两种方法在安全性上都存在窃听手段简单，窃听者无法被觉察等问题。在电缆通信中，窃听者可以将万用表或者示波器接在传输电缆上实现窃听。而通过光纤弯曲，使得部分光信号外泄并被相应的探测器探测到，从而实现光缆线路的窃听。 图表 4： 电缆窃听法 图表 5： 光纤弯曲窃听法 资料来源： 51CTO，东吴证券研究所 资料来源： 51CTO，东吴证券研究所 而量子通信基于三大安全技术实现无条件的安全性： 基于量子不可克隆定理和量子不可分割实现存在窃听必然被发现。 量子通信的关键要素是“量子密钥”，它用具有量子态的物质作为密码，一旦被截获或者被测量，其自身状态就会立刻发生改变。截获量子密钥的人只能得到无效信息，而信息的合法接收者则可以从量子态的改变中得知量子密钥曾被截取过。 基于一次一密，完全随机实现加密内容不可破译。 用光量子通信网，虽然跟平常通信一样，却不用担心被窃听，相互之间通信绝对安全。这是因为，量子通信采用的是“一次一密”的加密方式，两人通话期间，密码机每分每秒都在产生密码，牢牢“锁”住语音信息；一旦通话结束，这串密码就会立即失效，下一次通话绝对不会重复使用，而且量子通信所提供的密钥无法被破解。 图表 6： 量子通信绝对安全实现原理 数据来源：中商产业研究院 ， 东吴证券研究所 7 / 37 东吴证券研究所 请务必阅读正文之后的免责声明部分 Table_Yemei 行业深度报告 此外，量子通信相比经典通信还有时效性高、传输速度快、抗干扰能力强、传输能力强等优点 。 时效性高、传输速度快。 量子通信的线路时延近乎为零，量子信道的信息效率相对于经典信道量子的信息效率高几十倍，并且量子信息传递的过程没有障碍，传输速度快； 抗干扰性能强。 量子通信中的信息传输与通信双方之间的传播媒介无关，不受空间环境的影响，具有完好的抗干扰性能，同等条件下，获得可靠通信所需的信噪比比传统通信手段低 30 40dB； 传输能力强。 量子通信与传播媒介无关，传输不会被任何障碍阻隔，量子通信的其中一种方式 隐形传态，还能穿越大气层，既可在太空中通信，又可在海底通信，还可在光纤等介质中通信。 2. 量子通信已具 备产业化条件 量子通信的试点应用催生了一批由科研机构孵化的科技产业实体。具有代表性的如美国 MagiQ 公司和瑞士 IDQ 公司等，能够提供初步商用化的量子密钥分发系统器件、终端设备和整体应用解决方案。在国内，中科大在量子通信产业化方面表现突出，其衍生与合作建立了科大国盾量子等公司，进行量子保密通信前沿研究成果向应用技术和商用化产品的转化。 2.1. 量子通信已走出实验室 量子通信的研究发展起步于 20 世纪 80 年代。 1982 年，法国 Alain Aspect 通过实验证实了微观粒子存在“量子纠缠”现象。 1984 年， Bennett 和 Brassard 提出了量子密钥分发 ( QKD) 的概念和第一个量子密钥分发协议 ( BB84 协议 ) ，标志着量子通信理论的诞生。 1989 年，通过自由空间信道，完成了量子通信的第一个演示性实验，通信距离为 32 cm。 从 1993 年到 2005 年这个阶段，实验技术发展迅猛。 1995 年，中国科学院物理研究所吴令安小组在实验室内完成了我国最早的量子密钥分发实验演示。 2000 年，该小组又与中国科学院研究生院合作利用单模光纤完成了 1.1 公里的量子密钥分发演示实验。 2002 年至 2003 年间，瑞士日内 瓦大学 Gisin 小组和我国华东师范大学曾和平小组分别在 67 公里和 50 公里光纤中演示了量子密钥分发。 2005 年，中国科学技术大学郭光灿小组在北京和天津之间也实现了 125 公里光纤的量子密钥分发演示性实验。 2006 年，中国科学技术大学潘建伟团队在世界上首次利用诱骗态方案实现了安全距离超过 100 公里的光纤量子密钥分发实验。同时，美国 Los Alamos 国家实验室美国国家标准局联合实验组和奥地利的 Zeilinger 教授领导的欧洲联合实验室也使用诱骗态方案实现了安全距离超过 100 公里量子密钥分发。 量子诱骗态打开了量子通信技术应用的大门，开始从实验室演示走向实用化和产业化。 8 / 37 东吴证券研究所 请务必阅读正文之后的免责声明部分 Table_Yemei 行业深度报告 2004 年，美国雷神公司组和波士顿大学在 DARPA 支持下建了世界上第一个量子密码通信网络 ； 2008 年，欧盟“基于量子密码的全球保密通信网络” (SECOQC) 研发项目组建的 7 节点量子保密通信演示验证网络运行成功 ;2009 年，由日本国家情报通信研究机构 ( NICT) 主导，联合日本 NTT、 NEC 和三菱电机，并邀请到东芝欧洲有限公司、瑞士 ID Quantique 公司和奥地利 AllVienna 共同协作在东京建成了六节点城域量子通信网络“ Tokyo QKD Network” ； 2010 年起，美国洛斯阿拉莫斯国家实验室秘密构建了城域量子通信网络，直到 2013 年才公布。 量子通信技术已经获得了空前的发展，特别是 QKD(量子密钥分配 )技术，已经可以进行上百公里的传输实验，并且大规模的 QKD 网络已经初步建成；量子离物传态技术也已经获得了传输 16 km 的实验进展。近年来的量子通信突破性进展层出不穷，尤其是随着关键量子器件技术的成熟，部分成果已经达到实用化水平，完全脱离了纯理论阶段，基本进入了应用阶段。 2.2. 我国量子通信技术世界领先、应用丰富 我国在量子通信领域处于世界领先水平，已经实现了超过两百公里的安全信息传输，实用化安全传输距离已达到几十公里，量子通信网络技术已发展成熟。从目前的实际情况来看，将量子通信网络与现有网络进行融合是其最优的发展战略。我国量子通信技术经过多年研究，已经处在产业化阶段。 2005 年，潘建伟院士的团队在世界上第一次实现 13 公里自由空间量子通信实验，证实了星 -地量子通信的可行性。 2007 年 3 月，郭光灿院士的研究团队在北京成功试验了“量子路由器”，并获得美国授权专利。还在北京网通（现联通）建立了有 4 个用户的量子密码通信网 络，用户间最短距离 32km，最长距离 42.6km。 2009 年，潘建伟、陈增兵、彭承志等人所组成的团队针对量子通信实用化展开了攻关研究，研制成功量子电话样机，在商业光纤网络的基础上，组建了可自由扩充的光量子电话网（见下图），节点间距达到了 20 公里，实现了“一次一密”加密方式的实时网络通话和 3 方对讲机功能，真正做到了“电话一拨即通、语音实时加密、安全牢不可破”的量子保密电话。同年，国内首个“量子政务网”在安徽芜湖建成，标志着量子密码保密通信已经进入工程化阶段。 图表 7：合肥首个量子电话网 资料来源：比特网，东吴证券研究所 9 / 37 东吴证券研究所 请务必阅读正文之后的免责声明部分 Table_Yemei 行业深度报告 2012 年初，潘建伟的团队在合肥市建成了国际上首个规模化的城域量子通信网络，节点数达到了 46 个，远远超过此前国际上已有的同类网络，投入资金 6000 多万元。使用光纤约 1700 公里，通过 6 个接入交换和集控站，连接 40 组“量子电话”用户和 16 组“量子视频”用户。同年，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，在世界上首次实现利用量子通信网络对金融信息的安全传输。 2014 年，济南市建设的“济南量子通信试验网”正式投入使用。这是我国第一个以承载实际应用为目标的大型量子通信网，也是世界上已知的规模最大、功能最全的量子通信试验网。 2016 年 8 月，世界首颗量子科学实验卫星 墨子号发射成功，我国成为世界上首个实现卫星和地面之间量子通信的国家。此外，墨子号量子卫星顺利完成三大科考任务： 1、星地高速量子密钥分发实验采用卫星发射量子信号，地面接收的方式，“墨子号”过境时，与河北兴隆地面光学站建立光链路，通信距离从 645 公里到 1200公里。在 1200 公里通信距离上，星地量子密钥的传输效 率比同等距离地面光纤信道高 20 个数量级 (万亿亿倍 )。卫星上量子诱骗态光源平均每秒发送 4000 万个信号光子，一次过轨对接实验可生成 300 kbit 的安全密钥，平均成码率可达 1.1 kbps。这一重要成果为构建覆盖全球的量子保密通信网络奠定了可靠的技术基础。以星地量子密钥分发为基础，将卫星作为可信中继，可以实现地球上任意两点的密钥共享，将量子密钥分发范围扩展到覆盖全球。此外，将量子通信地面站与城际光纤量子保密通信网互联，可以构建覆盖全球的天地一体化保密通信网络。 2、地星量子隐形传态采用地面发射纠缠光子、天上接 收的方式，“墨子号”量子卫星过境时，与海拔 5100m 的西藏阿里地面站建立光链路。地面光源每秒产生8000 个量子隐形传态事例，地面向卫星发射纠缠光子，实验通信距离从 500 公里到1400 公里，所有 6 个待传送态均以大于 99.7%的臵信度超越经典极限。假设在同样长度的光纤中重复这一工作，需要 3800 亿年 (宇宙年龄的 20 倍 )才能观测到 1 个事例。这一重要成果为未来开展空间尺度量子通信网络研究，以及空间量子物理学和量子引力实验检验等研究奠定了可靠的技术基础。 3、在国际上率先实现千公里级的量子纠缠分发，并在此基础上首次实 现空间尺度严格满足“爱因斯坦定域性条件”的量子力学非定域性检验，为未来开展大尺度量子网络和量子通信实验研究，以及开展外太空广义相对论、量子引力等物理学基本原理的实验检验奠定了可靠的技术基础。 2016 年 11 月，相关各方签订协议将开建量子保密通信“武合干线”和武汉量子保密通信城域网。“武合干线”（城际网）是国家“量子保密通信京沪干线”项目的首条商业延伸线，将是我国量子保密通信骨干网的重要组成部分，是实现量子保密通信服务与长江中游城市群和建设武汉城市圈节点的基础工程。武汉量子保密通信城域网将是首个采用量子 -经典 信道融合技术的商用城域网，将建设包括金融、政务、数据中心的量子保密通信城域网，它的建设将极大提升武汉政务、金融等网络信息本质安全度。截止 2017 年 10 月底，武汉市量子通信城域网项目一期建设完毕。 10 / 37 东吴证券研究所 请务必阅读正文之后的免责声明部分 Table_Yemei 行业深度报告 2017 年 3 月，全球首条量子通信商用干线 沪杭干线正式全线接通， 该干线将实现杭州和上海两地间的量子安全级别语音电话、视频电话、文件传输业务。沪杭量子通信商用干线总长 260 公里，总投资 1.7 亿元，途经上海秀浦路、漕河泾、大港、嘉兴东、桐乡、杭州 6 个中继站。工信部信息通信发展司负责人表示，沪杭量子通信商用干线作为全球第一条量子通信商用干线，标志着量子通信产业化时代的到来，拉开了量子通信产业市场化运营的序幕。 2017 年 9 月，世界首条量子保密通信干线 京沪干线正式开通。建成后的量子通信京沪干线，实现了连接北京、上海，贯穿济南和合肥全长 2000 多公里的量子通信骨干网络，将推动量子通信在金融、政务、国防、电子信息等领域的大规模应用。 此外，结合墨子号量子卫星兴隆地面站与京沪干线北京上地中继接入点的连接，并通过墨子号与奥地利地面站的卫星量子通信，我国在世界 上首次实现了洲际量子通信。这也标志着我国已构建出天地一体化广域量子通信网络雏形，为未来实现覆盖全球的量子保密通信网络迈出了坚实的一步。 2018 年 1 月，我国与奥地利科学院塞林格研究组合作，利用“墨子号”量子科学实验卫星，在中国和奥地利之间首次实现距离达 7600公里的洲际量子密钥分发，并利用共享密钥实现加密数据传输和视频通信。该成果标志着“墨子号”已具备实现洲际量子保密通信的能力，为未来构建全球化量子通信网络奠定了坚实基础。 图表 8： 墨子号量子卫星 图表 9： 京沪量子保密干线 资料来源： 中科院物理所 ，东吴证券研究所 资料来源： 新华网 ，东吴证券研究所 首颗卫星发射后还将发射更多卫星，我国计划到 2020 年实现亚洲与欧洲的洲际量子密钥分发 , 届时联接亚洲与欧洲的洲际量子通信网也将建成。到 2030 年左右，中国将建成全球化的广域量子通信网络。量子科学试验卫星的发射将率先实现星地一体广域量子通信技术以及全球化量子网络。 我国京沪量子通信保密干线（城际骨干网）已经建成，在此基础上其他城市通过连接京沪干线实现城际量子通信（如武合线），而武汉也开始了量子保密通信城域网的建设。此外，通过墨子号量子通信卫星实现洲际、星地的量子通信。我国广域量子通信网络布局基本完成。国家发改委在关于组织实施 2018 年新一代信息基础设施建设工程的通知中提出建设国家广域量子保密通信骨干网络建设一期工程。