量子通信的应用现状与发展展望

一、量子通信概念及产业链构成㈠基本概念1原理：利用量子纠缠效应进行信息传递“量子”是指不可再分割的、最小的能量单位，所有的微观粒子包括原子、电子、光子等都是量子的一种表现形态。量子通信的工作原理是利用粒子的量子纠缠效应，将信息加载在粒子状态中，通过传输粒子实现绝对安全的通信。量子通信有两大核心概念：量子纠缠效应和量子信息状态化。其中量子纠缠效应是指两个或多个量子系统之间的非定域非经典的关联，即可以制备两个粒子态，无论距离多远，当其中一个粒子状态发生变化时，另外一个粒子的状态也会同时发生变化。量子信息状态化是指量子通信在传送过程中一般以状态来表示信息，早期利用偏振态较多，目前逐渐转向采用相位状态表示信息。偏振态是利用光的偏振对数据进行编码，在一个方向上的偏振视为0，而另一个视为1，常用的两种偏振方式为直线型和对角型；相位态利用光子的相位数据来进行编码，例如45度、90度、180度分别代表0、1、-1。2•分类：量子隐形传送和量子密码通信量子通信主要的通信方式包括两种：直接通过量子态进行量子隐形传送和量子密码通信（目前应用最成熟的方式）。图表1量子通信分类臺子通儒 1（挨储道分类） 1工”1童子隐形借送（童子桔道）量子密码邁 F（疑典信it） 0通过苻粒予豹未扣量子态传送到另一个地方来传迷植忌用登子扶态来作为博息加密和解密的密钥，不可跛译j资料来源：兴业证券研究所量子隐形传送：是一种脱离实物的信息传送，原理是通过将某个粒子的未知量子态传送到另一个地方来传递信息。具体而言，首先制备出具备量子纠缠效应的光子A和B,分别在甲和乙保存，需要传递信息时，将蕴涵相关信息的光子C与A—起测量，这样A的状态发生了改变，B的状态也发生了改变，再用光子D与B做逆测量，即可得到原来光子C所蕴涵的信息。量子隐形传送由于单子状态难以长时间保存、光纤信道损耗大、受环境噪音影响较大、价格昂贵等原因，目前技术仍不成熟。图表2量子隐形传送原理k莒地ED目前技术仍不成熟。图表2量子隐形传送原理k莒地ED通过对E战逆测量得到D,D即为耳标传输僅息，內蓉和G-样资料来源：兴业证券研究所量子密码通信：利用量子状态作为信息加密和解密的密钥。通俗来讲量子密码通信就是甲利用激光收发器发射确定状态的光子，乙采用滤光器/激光收发器

进行接收，保存并记录光子状态，随后甲和乙相互对应光子的状态，以识别是否申乙澈死被窃听，如果光子被窃听测量，则会改变状态，从而被发现图表3量子密码通信原理申乙澈死被窃听，如果光子被窃听测量，则会改变状态，从而被发现图表3量子密码通信原理资料来源：兴业证券研究所.怯忠正宮先孑的偈振牲澤辽信息妥全㈡主要特点：无条件安全性、强抗干扰能力和高传输效率与经典通信方式对比，量子通信的特点主要包括以下三点：L量子通信具有无条件安全性量子通信技术的信息安全是基于量子密码学，并以量子状态作为密钥而突破了传统加密方法的束缚，明显具有不可窃听、不可复制性和理论上的“无条件安全性”。任何截获或测试量子密钥的操作，都会改变量子状态，量子通信总会确保两地之间密钥分配和通信的绝对安全性。量子通信对于信息的加密也不再是要依靠传统加密技术所依赖的复杂算法，而是靠物理法则来保证，由此被认为是保障通信安全的终极技术手段。2•量子通信具有较强抗干扰能力和传输能力

在信息传输通道方面，量子信息传递过程不会为任何障碍所阻隔，线路时延可以为零，因此能实现最快通信，并且不存在任何电磁辐射污染，整个通信程序完全达到充分环保。在通信远距离方面，量子通信属于远距离通信，量子隐形传态具备穿越大气层的能力，而这就为未来基于卫星量子中继的全球化量子通信网奠定了基础。3•量子通信传输效率极高根据量子力学的叠加原理，一个n维量子态含有2池个态信息，而量子并行性使得量子计算机可以同时对2池个数进行数学运算，因此使用量子计算机对n维量子态进行传输，效率显著提高。㈢产业链：元器件-核心设备-传输干线-系统集成-应用图表4量子通信产业链董子IDC量于赴话量子白板ICBC董子IDC量于赴话量子白板ICBC亞安灯police海国盾量子CkiantumCTeltG冒国嶷海国盾量子CkiantumCTeltG冒国嶷5LFNCREATE弼貉特镣干践滾中国移动>ChlfJiMfihilf蚤子密胡分发莽’量于離曲壽量予交换机「4子随机救岌生器量子点激光器死量子探测仪1光歼光缆弼貉特镣干践滾中国移动>ChlfJiMfihilf蚤子密胡分发莽’量于離曲壽量予交换机「4子随机救岌生器量子点激光器死量子探测仪1光歼光缆］［雪扇m管］［馆号蚯理芯片］ 元容并HGTECH国□uBntumCTekFirstSensor^资料来源：中国产业信息网上游：主要是信号处理芯片、雪崩光电二极管（APD）等元器件及各类核心设备。国内能够提供核心设备的公司并不多，主要包括国盾量子、问天量子和神州量通。国外厂商主要包括瑞士IDQ公司、美国Bennet公司等。中游：主要包括网络传输干线提供商和系统集成商。以量子保密通信“京沪干线”技术验证及应用示范项目为例，提供传输干线服务的公司是中国有线电视网络有线公司，提供系统集成服务的公司包括神州数码系统集成服务有线公司（神州信息子公司）、中国通信建设集团有线公司（中国通服子公司）等。下游：主要是各种行业应用，如金融、军事、政务、商务等领域。提供的产品包括量子电话、基于量子保密技术的IDC、量子白板等。目前量子通信产业仍处发展初期，短期内量子通信器件、量子通信设备厂商将会率先受益，其次才是量子通信传输网络建设及系统集成商，量子通信网络运营及应用提供商需要在技术完全成熟、市场经过培育后才可以真正受益。二、国内外量子通信产业发展现状㈠国外：加快建设量子通信网络，科技巨头高额研发投入当前，美国、日本、欧盟均推出了针对量子通信的国家战略规划，旨在推动本国及本地区量子通信技术的繁荣发展。图表5国外量子信息政府推动计划国家地区时间项目目标金额承担机构美国2006美国竞争力计划（ACI）第四项实现量子信息处理技术的实际应用5000万美兀IBM、AT&T日本2000国豕级冋新技术开发计划实现光量子密码及光量子信息传输技术400亿日元邮政省欧洲2016量子技术旗舰项使欧洲在未来的量10亿欧欧盟

目子信息革命中处于刖沿位置元资料来源：《量子通信技术的最新进展及其军事应用前景》同时，发达国家也在积极将量子通信科研成果推向实际引用，并建成多个城域间量子通信网络。图表6国外量子通信网络建设国家项目说明美国DARPA2007年扩张到10节点,支持多种量子密钥分配技术美国国家标准技术局2006年演示3用户网络，密钥速率1Mb/sLosAlamos国家实验室2012年演示量子通信在政府能源电网可靠网络基础设施数据传输中的优势巴特尔俄亥俄州哥伦布市建立量子通信网络国豕量子环网计划Battelle与IDQ合作，在哥伦比亚市和华盛顿地区建立长达650公里的莲子通信线路，并进一步建立起连接包括Google、IBM、微软等公司的数据中心，总长超10000公里的环美量子通信网络欧洲SECOQC维也纳量子通信网络，投资1471万欧兀，6节点，8链路，取长85km光纤，以及条80km自由空间信道日内瓦2009年开始运吕，第一个国际量子通信网络，可靠性强马德里集成于现有光通信网，尽可能使用工业级技术日本东京2010年建成，最远光纤距离90km,45km以上距离进行安

全视频会议，50km密钥速率达到100kb/s，90km安全密钥达到2kb/s资料来源：《量子通信网络发展概述》，海航经济研究院此外，国际上具有强大基础学科研发能力的公司如IBM、AT&T、Bell实验室、Philips、英国电话电报公司、西门子、NEC、日立、东芝等在量子通信领域投入高额研发资本，抓紧开展量子通信技术研发，奋力推进产业化。瑞士的IDQ、美国的MAGIQ以及BBN等知名量子通信企业已经能够提供出商业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。图表7国际知名量子通信产业公司产品情况公司名称国家产品类型产品应用主要客户MAGIQ美国量子保密分发系统、QPN安全网关、光纤干涉仪、光纤传感器提供初步商业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U.S.Army、DARPA、JTRS、NASA、NavyIDQ瑞丄量子安全加密类产品：量子网络安全加密、量子密钥分配、量子密钥生成等；此外IDQ是量子随机数产生器及光数据中心：速度高达100Gbps链路加密；银行和金融机构：银行的安全策略，无缝支持所有网络现实现全公司的加密平台；政府解决方案：提供对ATOS、Battelle、Cygate、genalto、netability、elite、Safenet等学仪器产品的领敏感数据的长期数据保先供应商护。BBN美国量子遥感、量子通信、量子计算仓U建backer-pfoof计算机网络和传输NEC、Waterloo大学和墨尔本大学资料来源：兴业证券研究所㈡国内：量子通信领域世界领先，金融、政务和国防实现应用]•发展现状：三步走策略，目前量子通信领域世界领先中国量子卫星之父潘建伟曾指出，我国量子通信技术的实际应用将分三步：一是通过光纤实现城域量子通信网络；二是通过量子中继器实现城际量子通信网络；三是通过卫星中转实现可覆盖全球的广域量子通信网络。2016年8月16日北京时间凌晨1时40分，全球首颗量子科学实验卫星“墨子”号在中国酒泉卫星发射中心成功发射，此次量子通信卫星的发射是第三步的重要开端，标志着我国在量子通信领域全面领先于世界。同时，在实用化城域量子通信技术方面，在合肥、济南、上海、北京等地都建成或即将建成规模化的城域量子通信网络，并初步应用于国防、政务、金融等领域的信息安全。未来随着技术和产业化的逐渐成熟，量子政务云、能源云、量子白板、量子手机、量子POS机、量子签名、量子电话等产品全面普及，很快迎来“量子+”时代。2应用领域：已实现金融领域、政务行业、国防行业应用⑴金融领域应用图表8量子通信在金融领域的应用时间合作机构说明2012.02新华社、“金融信息量子通信验证网”在新华社金融信息交易所开通，

中科大标志着量子通信技术首次在金融信息传输领域的应用。该验证网支持高保密性视频语音通信、实时文字交互和数据传输。高速数据传输的速率达到300Mbps以上，能够满足大多数加密通信应用的需求。2015.02工商银行中国工商银行成功应用量子通信技术实现了工行北京分行电子档案信息在同城间的加密传输，标志着量子通信在国内银行业首次成功应用。目前的应用主要是柜面业务客户信息凭证、信贷审批凭证、信用证等加密传输。预计今年会实现工行在上海的数据中心处理的业务通过“京沪干线”量子通信通道传输到北京数据中心做异地备份。未来工行最核心的数据都会在量子加密信道上传输，以保证信息的安全性。2015.10阿里、中科院阿里云与中科院旗下国盾量子联合发布量子加密通信产品，目前双方已在阿里云网络环境建立了多个量子安全传输域，通过量子传送实现同城数据中心互联网，为客户提供无条件安全数据传输服务。资料来源：海航经济研究院⑵政务行业应用图表9量子通信在政务行业的应用时间网络合作机构说明2009.05芜湖量子政务网郭光灿团队、韩正甫世界首个量子政务网，连接芜湖市科技局、招商局、经贸局、总工会和质监局等市政机关及

团队和芜湖芜湖市电信大楼8个用户，设置了4个全通主网节点和二个子网用户节点以及1个用于攻击检测的节点，长15公里，标志着量子通信在政务的成功应用。传输内容包括文件、音频、动态图像等多种信息。可实现实时语音通信绝对保密，满足召开大范围内的保密视频会议的需要。接收信息用户用量子密钥解密才能获取准确内容，否则获得的是乱码。当攻击节点窃听时，系统会发生“滴滴”报警，用户立即丢弃量子密钥停止传输。市政丿付2012.03合肥城域量子通信试验示范网中科大、安徽量子通信技术有限公司世界首个规模化城域量子通信网，成功搭建了46个节点、40组用户，覆盖合肥市主城区，用户涵盖省市政府机关单位、金融机构、车工企业、研究院所等。这46个节点内的用户可以互相通话，但无法拨打其他的电话，其他的电话也无法拨入。2014.03济南量子通信试验网山东量子科学技术研究院总投资1.22亿元，包括三个集控站，50个用户节点，28个节点单位，可以为省内含省直机关事业单位、高校、银行等提供超过90部量子加密的语音电话、传真、文本通信和文件传输业务，业务接通率达到99%以上。资料来源：海航经济研究院⑶国防行业应用量子通信在国防和军事领域具有广阔前景，主要体现在四方面。第一，在现有的军事通信系统网络基础上，可以通过天基平台部署量子通信密钥生成与分发