量子通信的歷史與潛力

人類真的可以實現安全的信息傳送嗎？這到底是夢想，還是現實？

9月10日的北京雁棲湖，雖然天空淅淅瀝瀝地下著雨，但仍有不少學者和學生趕來參加中國科學院與德國國立科學院（Leopoldina）聯合舉辦的第一屆雙邊研討會。會上，中國科學院院士、中國科學技術大學常務副校長潘建偉作了題為“夢想還是現實？量子通信的過去、現在與未來”的報告。

對信息的安全傳輸是數千年來人類一直追求的夢想。理論上，所有依賴于計算復雜度的經典加密方法原理上都可以被破解，因此在歷史發(fā)展中，經典密碼學的每一次進步都被破解技術的進步所擊敗。那么人類能否發(fā)明一種密碼工具來確保信息傳輸的安全性？具體而言，該如何在相距遙遠的兩地實現安全的密鑰分配呢？

1968年，以色列科學家斯蒂芬?威斯納提出可以用量子系統(tǒng)來完成經典方法所不能夠處理的信息處理任務，這啟發(fā)了人們發(fā)明量子通信和量子密碼學。1984年，美國IBM公司的查爾斯?貝內特和加拿大蒙特利爾大學的吉列?巴薩德共同提出了第一個也是最為著名的量子密鑰分發(fā)協議BB84協議。量子密鑰分發(fā)利用單光子的不可分割性、未知量子態(tài)的不可復制性等微觀粒子特有的性質，從原理上保證了密鑰的不可竊聽，從而確保了信息傳送的安全。

潘建偉在報告中指出，在人類實現遠距離安全量子通信的征途上有兩大挑戰(zhàn)，分別是現實條件下的安全性問題和遠距離傳輸問題。

量子密鑰分發(fā)因其具有理論上的無條件安全性而備受關注，但是在實際系統(tǒng)中，量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)會由于設備的非完美性而存在安全性漏洞。由于量子密鑰分發(fā)過程中，線路的安全性是可以嚴格保障的，因此可能的安全性漏洞就集中在發(fā)射端和接收端。誘騙態(tài)方案和“測量器件無關”方案分別解決了上述兩端的安全性漏洞。這兩個方案均率先被潘建偉團隊實現。

潘建偉介紹道，結合“測量器件無關”方案與自主可控的光源，量子密鑰分發(fā)就可以達到“信息論可證”的安全性。因此，目前現實條件下量子密鑰分發(fā)的安全性已經很好地建立起來了。

迄今為止，在地面實驗中，量子密鑰分發(fā)的點對點距離可達到500千米量級，而量子隱形傳態(tài)可達到100千米。那么，如何在此基礎上繼續(xù)增加量子通信的距離呢？

一個階段性的解決方案是可信中繼傳輸，我國建設的光纖總長超過2000千米的“京滬干線”便采用了這一方案。在可信中繼方案中，需要人為保障中繼站點的安全，而中繼之間的線路則是安全的。這比傳統(tǒng)通信手段中整條線路處處都面臨著信息泄露的風險而言，大幅提高了安全性。

更為長遠的方案是使用量子中繼器。量子中繼包括量子糾纏純化、量子糾纏交換和量子存儲等手段，可以在遙遠地點間分發(fā)量子糾纏，從而實現遠距離的量子通信。潘建偉團隊在量子中繼的核心環(huán)節(jié)取得了一系列重要成果，目前已可支持通過量子中繼實現500千米的量子通信。但是量子中繼器的實際應用可能還需要等待10年之久。

目前更為有效的方法是基于衛(wèi)星的量子通信技術。這種手段不受地球表面障礙物的影響，在外太空也幾乎沒有衰減。我國于2016年研制成功并發(fā)射國際上首顆量子科學實驗衛(wèi)星“墨子號”，在國際上率先實現星地量子通信實驗，充分驗證了這一技術的可行性。

報告中，潘建偉展望量子通信的未來，描繪了一幅令人遐想的圖景：通過量子衛(wèi)星與地面光纖網絡，并與經典通信網絡相融合，未來將可形成覆蓋全球的廣域量子通信網絡，全面提升信息安全水平。而利用廣域的量子通信網絡，人類可以發(fā)展出空間分辨率極高的望遠鏡技術；也可以構建高精度的光頻率傳遞網絡，精度相比現在的微波時頻網絡可以提高4個數量級。而“墨子號”量子衛(wèi)星發(fā)展的空間量子科學實驗技術，也為物理學基本原理研究提供了全新的平臺。例如，最近潘建偉團隊利用“墨子號”量子衛(wèi)星對Event Formalism量子引力模型進行了檢驗，首次對量子力學和引力的融合進行了實驗探索。利用高軌空間極低的引力和磁場噪聲，未來還有望實現精度高達10-21的光鐘，將會促進對引力波信號，特別是低頻信號的探測，可以揭示更為豐富的天文現象。

國盾量子瞄準量子通信領域

國盾量子日前回復了申請科創(chuàng)板上市的第四輪問詢，涉及重大合同收入、半年報業(yè)績、債務重組等問題。國盾量子是量子通信產業(yè)化龍頭企業(yè)，公司擬發(fā)行不超過2000萬股，募集資金3.04億元用于量子通信網絡設備項目和研發(fā)中心建設項目。招股說明書顯示，國盾量子股權分散，股權穿透后的股東涉及多家上市公司。

量子通信領域龍頭

國盾量子成立于2009年，起源于以潘建偉、彭承志為核心的中國科學技術大學合肥微尺度物質科學國家研究中心的量子信息研究團隊。公司主要從事量子通信產品的研發(fā)、生產、銷售及技術服務，為各類光纖量子保密通信網絡以及星地一體廣域量子保密通信地面站的建設提供軟硬件產品，為政務、金融、電力、國防等領域提供組網及量子安全應用解決方案。

國盾量子的產品分為四大類：量子保密通信網絡核心設備、量子安全應用產品、核心組件以及管理與控制軟件，主要用于構建量子保密通信骨干網、城域網、局域網以及行業(yè)信息安全應用，下游客戶涉及政務、金融、電力、國防等領域。

招股說明書顯示，公司主要產品部署在量子保密通信骨干網、量子保密通信城域網和行業(yè)量子保密通信接入網，滿足內容豐富的信息安全需求。公司量子通信核心組件的自主可控方面具有優(yōu)勢，不斷發(fā)展量子通信系統(tǒng)相關的芯片等技術，支持下游的應用接入及二次開發(fā)，可為大數據、云計算、人工智能、物聯網以及5G等領域進行賦能，促進產業(yè)生態(tài)繁榮。公司擬發(fā)行不超過2000萬股，占本次發(fā)行后總股本的比例不低于25%。擬使用募集資金約3.04億元用于量子通信網絡設備項目和研發(fā)中心建設項目。其中，量子通信網絡設備項目擬使用2.57億元，研發(fā)中心建設項目擬使用4689.06萬元。

2016年至2018年，國盾量子營業(yè)收入分別為2.27億元、2.84億元和2.65億元。其中，量子保密通信產品占營業(yè)收入的比例分別為95.47%、97.75%和95.81%。

華鑫證券研報顯示，公司在國內量子通信領域處于龍頭地位。量子保密通信網絡可依托現有的光纖網絡進行建設，建設規(guī)?？蓞⒄宅F有的光纖通信網絡規(guī)模。公司為國家量子保密通信“京滬干線”、“武合干線”等骨干網工程的核心設備供應和項目實施提供了保障。我國目前已建成的實用化光纖量子保密通信網絡總長(光纜皮長)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(tài)。

公司重視研發(fā)創(chuàng)新工作，不斷增強技術儲備，保持技術領先優(yōu)勢。2016年至2018年，公司研發(fā)投入總額分別為5318.03萬元、7344.36萬元和9620.95萬元，研發(fā)投入占營業(yè)收入比例分別為23.41%、25.89%和36.35%。最近三年累計研發(fā)投入占最近三年累計營業(yè)收入的比例為28.73%。公司表示，將圍繞國家信息安全發(fā)展戰(zhàn)略，以“技術推動市場、產品引領需求、服務創(chuàng)造價值”為經營理念，專注于量子信息領域，堅持走“技術創(chuàng)新、產品創(chuàng)新、服務創(chuàng)新”的發(fā)展道路，以“打造國際一流的量子技術企業(yè)”為發(fā)展目標。

推進信息安全建設

招股說明書顯示，國盾量子穿透后的股東包括聯想旗下君聯資本、中國國新旗下的國新資本以及上市公司神州信息、浙江東方、銀輪股份等。

部分參股的上市公司與國盾量子業(yè)務合作密切。2018年，神州信息與國盾量子、國翔辰瑞成立了神州國信(北京)量子科技有限公司，為國家量子保密通信骨干網、城域網、行業(yè)專網提供量子保密通信產品；同時，面向金融、政府等行業(yè)客戶提供定制化的解決方案。截至目前，神州信息與國盾量子攜手已幫助近20家金融機構實現量子技術和業(yè)務系統(tǒng)的結合，如上海銀行、上海農商行、中國銀行、工商銀行、光大銀行等，積極推進信息安全建設。

公司客戶群體穩(wěn)定，產品應用場景較多。從客戶構成看，神州數碼系統(tǒng)集成服務有限公司是公司第一大客戶。公司作為量子保密通信設備及相關技術服務供應商，2016年-2018年對其銷售量子保密通信設備及相關技術服務的收入占營業(yè)收入的比例分別為34.21%、21.14%和57.9%。

華鑫證券研報顯示，目前從事量子保密通信的主要企業(yè)有：瑞士IDQuantique、安徽問天量子、浙江九州量子，暫時沒有主營業(yè)務為量子通信產品的上市公司。量子保密通信行業(yè)處于推廣期，屬于技術和資金密集型行業(yè)，門檻高。作為行業(yè)龍頭，預計國盾量子上市后市場將給予較高估值。

行業(yè)前景廣闊

中信建投證券指出，量子通信應用場景廣闊，保密通信是現階段可行業(yè)務。量子通信近期應用主要集中在利用QKD鏈路加密的數據中心防護、量子隨機數發(fā)生器，并延伸到政務、國防等特殊領域的安全應用。隨著QKD組網技術成熟，終端設備趨于小型化、移動化，QKD還將擴展到電信網、企業(yè)網、個人與家庭、云存儲等更廣闊的應用領域。長遠看，隨著量子衛(wèi)星、量子中繼、量子計算、量子傳感等技術取得突破，通過量子通信網絡將分布式的量子計算機和量子傳感器連接，將產生量子云計算、量子傳感網等一系列全新的應用。

業(yè)內人士稱，信息安全重要性與日俱增，量子通信技術發(fā)展前景廣闊。未來幾年，大數據、5G通信、云計算、物聯網等新技術、新應用和新模式快速融合將觸發(fā)新的安全威脅，以密碼為核心的信息加密等防護手段需求進一步加強；同時，基于計算復雜度的傳統(tǒng)密碼方案面臨的挑戰(zhàn)力度增大，量子計算的不斷突破對目前廣泛用于密鑰協商、簽名認證的公鑰密碼形成了挑戰(zhàn)，行業(yè)需要新的技術手段來完善未來的安全保障，量子通信是解決這些問題的重要手段之一。隨著重視程度和投入的加大，量子通信的發(fā)展具有廣闊的前景。

招股說明書顯示，公司主要為下一代信息網絡提供新型信息安全產品和服務，屬于科創(chuàng)板優(yōu)先推薦的領域。信息安全行業(yè)處于快速發(fā)展期，總體上呈現業(yè)務不斷拓展、攻防技術演進升級的態(tài)勢。