量子通信領域真正的國貨之光來了

袁露華

20世紀最重大的科學革命是什么？毫無疑問，是量子力學的建立。一個多世紀以來，量子力學雖然備受爭議，但已成為現代物理學的兩大支柱之一，推動了半導體、激光、核能、超導、核磁共振等等的發展，從根本上改變了人類的生活方式和社會面貌。

這其中，有一個更加年輕的領域，也是更受爭議的領域，那就是量子通信。這是一個曾被“看不懂”的新事物，如今已成為國家重點支持的前沿科技和戰略新興領域。一個不那么廣為人知的事情是，量子保密通信是近現代唯一一個由中國新創造的產業。近期，量子通信第一股國盾量子（688027）即將在科創板上市，標志著我國在量子通信產業化方面邁出了重大一步。

量子通信：從被質疑到應用落地

量子力學是量子通信的理論基礎，其中，疊加、糾纏原理對量子通信的研究起到了決定性作用。疊加原理指的是一個量子系統可以處在不同量子態的疊加態上，即，你不觀察它，一個電子既在A點又不在A點;你一觀察，這種疊加狀態就崩潰了，它就真的只在A點或者真的只在B點了，只有一個狀態，“薛定諤的貓”就是其體現。而所謂量子糾纏，指的是兩個處于糾纏態的粒子無論相距多遠，都能“感知”和影響對方的狀態，有點類似于心靈感應。

這兩個原理違背宏觀世界認知，甚至可以用“詭異”來形容。20世紀以來，關于量子力學的擁躉與質疑齊飛，但同時，在各大領域應用飛速落地。

1993年，美國科學家C.H.Bennett提出了量子通信的概念，隨后，各國科學家開始進行大量研究。與很多中國后來居上的領域不同，在量子通信這里，中國科學家幾乎一開始，就走在前沿。

1997年，正在奧地利留學的中國青年學者潘建偉與荷蘭學者波密斯特等人合作，首次實現了未知量子態的遠程傳輸，這是后來被譽為“量子之父”的潘建偉在國際上第一次聲名遠播。

將近10年后，2006年，潘建偉帶領的小組、美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室、歐洲慕尼黑大學—維也納大學聯合研究小組，同時實現了超過100公里的誘騙態量子密鑰分發實驗，打開量子通信走向應用的大門。

其后，量子通信一路高歌猛進，傳輸紀錄不斷被打破。最新的重大突破是，今年6月，潘建偉團隊聯合牛津大學Artur Ekert等團隊在《自然》雜志發表的論文稱，團隊利用中國“墨子號”量子科學實驗衛星實現了1000km級的基于糾纏的無中繼量子密鑰分發，相當于北京到武漢的距離。2009年，中國科技大學潘建偉、彭承志團隊成立了安徽量子通信技術有限公司，即后來的國盾量子，成為最早從事量子保密通信產業化的企業。再之后的故事是，中國量子保密通信產業化走在了世界最前端。

QKD的信息理論安全性

在“靠不靠譜”的質疑聲下，潘建偉等人在量子通信領域做出的一批成就，底氣在于量子通信的安全性。現代密碼學認為：一切秘密寓于密鑰之中，正是因為密鑰，量子通信走進了密碼學，服務于信息安全。

現階段，量子通信的典型應用形式主要分兩種：量子密鑰分發（Quantum Key Distribution， QKD）和量子隱形傳態（Quantum Teleportation，QT）。QKD主要采用1984年提出的BB84協議，利用量子的不可克隆性，對傳統信息進行加密，實現點對點的安全通信;QT是利用量子的糾纏態來傳輸量子比特，可以實現任意遠距離的量子密鑰分發及網絡，類似于“瞬間轉移”。如沃爾夫物理學獎獲得者、量子密碼的提出者之一Gilles Brassard所言，量子保密通信“將最終實現所有密碼學者千年來的夢想”。

QKD是目前遠距離安全量子通信的主要應用方向。基本方法是使用量子態來編碼信息，通過對量子態的制備、傳輸和檢測來達到安全分發隨機數——即密鑰的目的，這種分發的安全性不受人類計算能力的影響，常被稱為信息理論安全性。由于量子力學的測不準和不可克隆定理，竊聽者無法取得正確的密鑰。而在傳統的光纖通信方式下，讓光纜泄漏一部分能量，就能夠竊聽光纜傳遞的信號，從而導致信息泄露。

不過在應用中，QKD仍是依托于光纖通信的，簡單來說，量子通信=傳統通信+量子密碼，它更像是給傳統通信增加了更加安全的量子密碼保障。QKD的優勢主要有兩個：一是能判斷出密碼是否被竊聽者復制過;二是“一次一密”，密碼用過一次后就不存在了，這在信息論里被稱為“一次性便箋”。不過，這也可能引出通信難以進行或者通信成本高的問題，因而相對比較小眾。縱覽歷史，從牛頓到愛因斯坦，再到量子理論的發展，經過漫漫百年長路，而量子通信理論提出只有27年，還需持續探索，甚至可能被推翻。市場的普遍觀點是，量子通信是個挑戰和機遇并存的新興行業。

搶奪信息技術的未來

實際上，量子通信、量子計算和量子測量共同組成了量子信息——這個由量子力學和信息技術交叉形成的前沿科學，其中量子通信是目前應用最多的方向。近年來，“棱鏡門”、華為被持續打壓、全球最知名加密機器制造商被美國操控多年，諸多事件讓信息技術自主可控成為時代強音。量子信息競賽，已經在各大國之間展開。

早在2002年，美國國防部高級研究計劃局就制定了《量子信息科學和技術發展規劃》，給出量子計算發展的主要步驟和時間表，故此美國早在21世紀初期便在量子信息領域領先。隨后，各國相繼出臺量子信息的國家戰略，美國、歐盟、俄羅斯、印度均已提出巨額資金投入和長期規劃。2020年2月，美國發布了“美國量子網絡戰略愿景”，表示將構建基于量子保密通信的量子互聯網，還將量子信息設置成出口管制重要領域。目前，日本東芝、瑞士IDQ、奧地利的All Vienna都是世界上研究量子通信（主要是量子安全密碼服務）的著名廠商。

于中國而言，量子計算方面仍在追趕，但得益于潘建偉等人的努力，在量子通信競賽中，中國的研究和應用世界領先。目前，我國已經成功發射世界首顆空間量子科學實驗衛星“墨子號”，開通了全球第一條量子保密通信干線“京滬干線”，2017年，“墨子號”順利完成任務后，獲得多項國際領先的科學成果，我國第一次在空間量子科學研究領域走到了世界最前列。遠距離、無中繼、小型化成為量子通信應用的主要攻克方向。目前，我國已經實現500公里級真空環境光纖的雙量子密鑰分發和相位匹配量子密鑰分發，以及1000km級的基于糾纏的量子密鑰分發。結合最新發展的量子糾纏源技術、高效星地鏈路收集技術等，安全性和規模化程度還將大大提升。

量子通信，正成為高等級信息安全的未來方向。當前，“以量子計算為代表的人類算力威脅現有非對稱密碼體系”這一判斷已經是主要密碼技術國家的共識，各國紛紛啟動的“抗量子計算”密碼研究就是證明。而量子保密通信，已經成為近現代唯一一個由中國新創造的產業。目前我國多項核心技術研究領先全球，并且已經能實現核心部件的自主供給。更重要的是，我國有望成為全球相關行業標準和規則的制定者。

產業化落地先行者

行業先行者正在成為規則制定者的重要成員。截至2019年9月底，國盾量子正牽頭或參與29項國際標準、國家標準、密碼行業標準、通信行業標準的制定工作。2020年，距離潘建偉和彭承志等人創辦國盾量子，是第11個年頭。已成為中國科學院院士的潘建偉是國盾量子第二大股東，曾獲國家自然科學獎一等獎的中科大博士生導師彭承志擔任公司董事長，緣起于中科大、受安徽省扶持的國盾量子帶著濃厚的科技底色和服務國家安全的色彩。

招股書顯示，國盾量子主要通過量子保密通信網絡建設，為政務、金融、電力、國防等行業和領域提供組網及量子安全應用解決方案。

目前，國盾量子主要為政府構建量子保密通信骨干網、城域網、局域網，用量子密鑰進行信息傳輸，支持公共安全、稅務、司法、民政等數據的安全傳輸，該解決方案已用于合肥、濟南、武漢、海口、貴陽等政府部門。

QKD產品是國盾量子的核心產品。2017-2019年，量子保密通信產品銷售金額分別為2.66億元、2.46億元、2.38億元，占主營業務收入的比例分別為97.75%、95.81%、93.08%。而QKD產品分別占量子保密通信產品銷售額的62.06%、70.26%和59.64%。目前，一臺QKD產品平均售價為25.90萬，價格較高，因此國盾量子的毛利率處于較高水平，2017-2019年分別為68.16%、74.33%、68.18%。截至目前，我國已建成的實用化光纖量子保密通信網絡總長（光纜皮長）已達7000余公里，其中超過6000公里使用了國盾量子提供的產品且處于在線運行狀態。

此外，核心技術上國盾量子亦是行業領先，目前擁有國內外量子技術相關專利212項以及多項非專利技術。且通過與現網寬帶光通信技術的融合，助推量子保密通信的大規模推廣。同時，布局芯片等前沿技術，改變核心器件被美國“卡脖子”的狀況。2017-2019年，公司研發投入占營業收入的比例分別為25.89%、36.35%、29.45%，截至2019年底，技術人員占比為45.41%。

本次募集資金，國盾量子擬投入3.04億元用于量子通信網絡設備項目和研發中心建設項目，主要投入于高性能QKD技術、實用化星地量子通信系統研究、實用化短距自由空間量子通信終端研究等前沿技術。2012年，合肥建設全球首個規模化量子通信網絡，隨后量子通信產業逐步走向全國。預期未來3-5年，京津冀、長三角、珠三角、西南地區、中西部地區等城市帶將陸續新建或擴建量子通信城域網，金融、電力等其他領域亦空間巨大。目前，僅有國盾量子是專業從事量子保密通信業務的上市公司，合作伙伴包括神州信息、中興通訊、中國電信等。

放眼世界，量子保密通信的商業應用都處于初級階段。隨著組網技術的成熟和終端設備的小型化、移動化，量子通信的應用還將擴展到電信網、企業網、個人與家庭、云存儲等領域，長期有望產生量子云計算、量子傳感網等一系列全新應用，真正進入量子互聯網時代。在這個美國、歐盟、日本紛紛瞄準的戰略新興行業里，先行拿到船票的國盾量子，值得期待。