量子通信是中国科技的一张名片，在这一领域，中国已经走在世界的前列。近日，国内量子通信行业再迎来新消息，由中国信通院牵头的国内首批量子通信标准正式获批并发布实施。这又是一个全新的起点，因为标准是一项技术走向产业化规模化，并实现商业化落地的重点前提。量子通信行业国家标准的出台，将进一步推动我国量子保密通信产品成熟和产业发展，其市场空间有望进一步打开。

什么是量子通信？

首先我们来了解什么是量子通信？量子通信是基于什么原理来传输数据的？

量子是物理量最小的单元，也就是指质量、能量，这种物理量最小的单元，却是以粒子状态出现。但如果将它理解成为一种物质就是错误的，因为目前公认最小的粒子是夸克，那么按照这个概念，很有可能就会使人们误以为量子指的就是夸克。

因为量子并不是物质，我们就不能从物质结构上来理解它，其实“量子”这个名词最初是叫做“能量子”，是由普朗克提出来的，他在研究黑体辐射的时候，发现能量是不连续的，似乎有一个“最低的能量单位”，就像电荷也有最小的单位，也就是指电子，已经无法再继续分割下去了，所以普朗克就起了一个名字叫做“能量子”。

后来有的人为了表示对普朗克的敬意，还特意的将它命名为“普朗克子”，但被普朗克委婉地拒绝了，因为普朗克认为这个名称应该具有特定的意义。后来随着量子力学的发展，人们发现有很多物理量都是不连续的，而且达到某种程度之后，就很难再分割下去，也就是这些物理量存在着最小的单元，所以就用“量子”来描述。

随着人们对微观世界的深入研究，发现量子世界里面存在着一种独特的现象，这种现象也被称为“量子纠缠”。当某个量子存在着一种状态的时候，就会有对应的另外一个量子存在着对应的状态；而且当这个量子的状态发生改变的时候，对应的另外一个量子的状态也会发生改变。

量子之间存在着这种特性，并没有距离的限制，也可以说是超距作用的，至于为什么会出现这种现象，就目前人类的认识水平也无法解释，但它却是客观存在的。既然量子纠缠是没有距离的限制，那如果将它应用于通信，应该也就没有距离的限制，这个效果当然是比较好，所以量子通信也是在这个原理上发展而来的。

人们发现量子通信的保密性能也非常好，这就不得不说一下量子密钥分发。我们都知道计算机采用的是二进制，就可以储存很多的信息，所以量子态只要存在两种状态就行了，就可以通过许许多多的量子来共同表达，所以量子密钥分发就是通过通信双方共享一个密钥，并且通过它来对信息的加密和解密。

现有的密码体系都是通过增加密码的复杂计算程度来保证安全的。我国“天河二号”超级计算机的计算性能也算比较好了吧，但如果用它来分解一个300位的数字，也需要用上15年的时间，但如果可以用量子叠加并行计算，一秒钟就能算出来了。

这也意味着密码可以通过量子来变得更加复杂，计算需要的时间也会变得更长，想要破译就更难了，利用普通的超级计算机，破译需要很长的时间，已经失去了实际应用的意义。其实，量子通信的保密性最根本的还是在于量子态。

因为量子状态是不可克隆的，当第三方想通过量子态来获取信息的时候，原有的量子态就会发生改变，这个信息马上就会反馈给掌握量子通信的一方，也就意味着正在通信的一方会知道别人正在窃取信息，在这种情况下，通信的一方又怎么可能还会以原来的密钥来维持通信呢？所以它的安全性就非常高。

量子通信的原理就是这样，而且它的好处也非常大，但真的想要将这种技术实现并不容易。因为它是通过控制光量子来实现的，想要制备单个光量子就已经非常困难，平时我们照明所用的灯泡，每一秒钟都会发出数万亿亿个光子，甚至有可能会比这个数目还要多，想要具备的光量子就是要从这些大量的光子中捕捉其中的一个。

制备光量子仅仅是量子通信的第1步，要想实现量子通信，还必须要拥有对光量子进行探测的能力，但单个光量子已经是这些光能量的最小单元，必须要发展非常精密和高效的光子探测技术才行，才能展开更为复杂的量子通信。

在我们日常生活中所见到的光没必要按照任何固定的顺序来传递的，但要想携带大量的信息，并且这些信息还要被另一方接收，这些光量子就必须要按照一定的排列顺序才能实现，接收的一方也需要检测出它的排列顺序，这样做出来的密钥才具有意义。

中国创造光纤量子通信新世界纪录

中国科学技术大学潘建伟院士团队与合作者利用中科院上海微系统所尤立星小组研制的超导探测器，突破现场远距离高性能单光子干涉技术，采用两种技术方案分别实现428公里和511公里的双场量子密钥分发，创造世界现场光纤量子保密通信新纪录。

据悉，量子不可克隆原理保证了量子密钥分发的无条件安全性，但量子密钥分发不能像经典光通信那样通过光放大对传输进行中继，因此分发距离受到光纤损耗的限制。

相比传统协议，双场量子密钥分发协议特别适合远距离量子密钥分发。此前，潘建伟团队已经在实验室内实现超过500公里双场量子密钥分发的验证。然而，在实际场景的苛刻环境下实现双场量子密钥分发极其困难。实验室内，温度、振动以及人活动引起的声音等噪声都可以被有效隔离，但这些在现场环境中不可避免。

基于“发送-不发送”双场量子密钥分发协议，潘建伟团队发展了时频传输技术和激光注入锁定技术，将现场相隔几百公里的两个独立激光器的波长锁定为相同。再针对现场复杂的链路环境，开发了光纤长度及偏振变化实时补偿系统。

对于现场光缆中其他业务的串扰，团队精心设计了量子密钥分发光源的波长，并通过窄带滤波将串扰噪声滤除。最终，结合高计数率低噪声单光子探测器，在现场将无中继光纤量子密钥分发的安全成码距离推至500公里以上。

该研究创造了现场光纤无中继量子密钥分发最远距离新的世界纪录，在实际环境中证明了双场量子密钥分发的可行性，并为实现长距离光纤量子网络铺平道路。

我国首批量子通信标准正式落地

量子通信是当今全球新一轮科技革命竞争的焦点之一，通过制定标准来推动量子科技产业化的进程和抢占国际话语权，逐渐成为国内外共识。我国在量子通信领域一直保持着领先位置。同时在量子通信标准制定方面占有诸多话语权。国际电信联盟（ITU-T）近期发布了量子密钥，分发3项国际标准，均由我国的国盾量子技术人员作为编辑人深度参与。欧洲在量子通信标准制定领域也在加速，近期启动了《QKD网络架构研究报告》和《基于通用评估标准的QKD安全防护行规》两项标准研制工作。

此外，工信部发布的《2021年工业和信息化标准工作要点》提出，我国要重点推进“量子信息等新技术新产业新基建标准制定”。同时，中国通信标准化协会（CCSA）正在陆续开展30个量子密钥分发QKD相关标准项目。

据悉，此次获批的国内首批量子通信行业标准包括《量子密钥分发（QKD）系统技术要求》及《量子密钥分发（QKD）系统测试方法》，适用于采用光纤信道传输的基于诱骗态BB84协议的QKD系统。作为量子通信网络中的核心设备，量子密钥的产生和分发，主要是由QKD完成。而QKD系统是最早实用化的量子信息技术，主要用于为客户提供高等级的量子安全防护。

首批标准的出台，将为验证该领域产品、系统的有效性提供参考，同时实现不同设备组网和网络间的有效链接，将加速量子保密通信的商用，同时对推动我国量子保密通信产品成熟和产业发展具有重要意义。

量子通信有望走向产业化

早在2009年，我国构建了一个4节点全通行的量子通信网络，也是在同一年，我国开通了金融信息量子通信验证网，这也是全球第一次把量子通信技术应用在金融信息传输上，意义重大；2016年，我国又成功发射了墨子号，它的主要作用就是连接地面光纤量子通信；2021年1月宣布成功组建跨越4600公里的天地一体化量子通信网络；近期我国又传来喜讯，再次攻克一大难关，首次成功实现量子信息掩蔽。

一次次的技术攻关，以及相关标准的落地，为量子通信技术向产业化迈进奠定了基础。事实上，我国的量子通信技术早已完成了理论的验证，已经进入快速产业化应用的阶段。

据悉，当前我国成功构建全球首个星地量子通信网，整个网络覆盖我国四省三市32个节点，包括北京、济南、合肥和上海4个量子城域网，通过两个卫星地面站与“墨子号”相连，总距离4600公里，目前已接入金融、电力、政务等行业的150多家用户。

另据媒体报道，福州将在今年6月份启动试用量子安全运营中心。

未来，随着量子保密通信标准体系的建成、有安全需求的行业用户认知的进一步完善，量子通信技术的市场空间有望进一步打开。

而在量子信息这一前沿领域，中国电信也早已提前布局。去年11月，中国电信与“量子科技第一股”国盾量子开启战略合作，启动“量子铸盾行动”，双方合资公司已经落地。中国电信计划在未来5年，率先为10个城市的公共安全提供量子安全云，为100个城市提供量子安全组网方案，为10000个政企客户提供量子安全加密解决方案，为1000万移动终端用户提供“量子安全通话”服务。今年年初，中国电信又宣布推出行业内首款量子安全通话产品“量子密话”，使用量子信息技术保护通话安全。

作为在全球科技产业中“换道超车”、掌握产业链话语权的重要核心技术，我国“十四五”规划提出，要使全社会研发经费投入年均增长7%以上，并把量子技术与人工智能和半导体一起列为重点研发对象，同时将构建完整的天地一体广域量子通信网络技术体系，率先推动量子通信技术在金融、政务和能源等领域广泛应用。

文章来源：展翔的天马，通信信息报社，中国青年报