量子通信发展环境及应用分析

专业经济研究智库权威行业研究报告-PAGE1-2015年12月11日，欧洲物理学会新闻网站“物理世界”公布了2015年度国际物理学领域的十项重大突破，中国科学技术大学教授潘建伟、陆朝阳等完成的科研成果“多自由度量子隐形传态”入选并名列榜首。让“量子通信”这个概念引爆A股市场，也让“量子通信”这个鲜为人知的概念进入大家的视野。就量子通信其重要性而言，在于它绝对安全的特性，在全球各地高度重视信息安全的今天，谁掌握了量子通信技术，可以说掌握了信息时代最重要的技术之一。本报告从量子通信的基本介绍、发展环境、发展现状、发展应用和前景趋势五个方面进行解读，分析中国量子通信的发展机遇和挑战，对量子通信发展态势进行简要介绍。一、量子通信基本介绍（一）量子信息的应用量子信息学是量子理论的重要应用之一。在量子信息学中，信息由量子态进行表征，在量子信道中传输量子态，信息处理则是量子态的受控演化，最后信息的提取则需通过对量子系统执行量子测量。其中，最主要的应用是在量子通信和量子计算领域。1、量子计算计算过程的物理实现，可以归结为一个被编码的物理系统的受控演化。在电子计算机时代，即是通过对电平信号编码信息，利用程序和电子元器件进行系统的演算控制。随着电子元器件的尺寸的不断缩小，以及计算复杂度的日益增加，量子计算被看做下一代计算机的发展方向。图表量子信息计算的研究领域资料来源：产研智库2011年，全球首台商用量子计算机D-Wave1诞生。它采用了128个超导量子比特组成的量子处理器。目前商用的D-Wave2X™号称是世界上目前最强的量子计算机。2015年谷歌、美国宇航局（NASA）和美国大学太空研究协会已经与量子计算机开发商D-Wave签订为期7年的商业协议，以获得后者开发的最新量子处理器。2、量子通信完整的量子通信系统实现以通信编码理论为基础，以特定的量子通信协议为核心，通过实现量子信号的产生、调制和探测等关键技术，最终能实现信息的传送。随着通信网络理论的发展以及量子中继技术的突破，量子通信网络将有望从局域网走向更大规模的广域网络，乃至全球规模。图表量子信息传输的研究领域资料来源：产研智库量子通信的数学理论基础是量子信息论，是量子力学与信息论结合的产物。其中，首要问题是如何度量用量子态表征的信息及量子信息中特有的资源（如量子纠缠）；其次，如何最优的利用给定的量子通信资源进行通信，这涉及量子资源的表示、压缩以及量子信道容量的计算。总体来看，还有很多待解决的公开问题，目前仍是研究热点。（二）量子通信系统组成量子通信是指利用量子纠缠效应进行信息传递的新型通讯方式，是量子论和信息论相结合的成果。量子通信具有绝对安全和高效率等特点，给信息安全带来了革命式的发展，是目前国际量子物理和信息科学的主要研究方向，主要涉及的领域包括：量子远程传态、量子密码通信等。目前应用发展相对成熟的为量子密码通信。量子通信系统的简化模型包括量子信源，量子信道和量子信宿三个主要部分。量子信源产生消息并发送出去；量子调制将原始消息转换成量子态形式，产生量子信号；量子信宿是消息的接收者，量子解调将量子态的消息恢复成原始消息；其余都属于量子信道范畴。另外通常还有辅助信道，是指除了传输信道以外的附加信道，如经典信道，主要用于密钥协商等。图表量子通信系统的组成资料来源：产研智库量子通信系统的主要设备包含：通信网络主设备（含核心器件)、终端设备，还包括配套的科学仪器以及系统性的管控和应用软件等。（三）量子通信的主要形式量子通信的主要形式包括基于量子密钥分发（QuantumKeyDistribution）的量子保密通信、量子密集编码（QuantumDenseCoding）和量子隐形传态（QuantumTeleportation）等。另一方面，量子通信传输的信息可以分为两类：经典信息和量子信息。量子密钥传输的主要是其他信息，量子密集编码和量子隐形传态中主要是量子信息。图表量子通信主要形式资料来源：产研智库（四）量子通信的发展优势1、具有极高的安全性和保密性。根据量子不可克隆定理，量子信息一经检测就会产生不可还原的改变，如果量子信息在传输中途被窃取，接收者必定能发现；量子通信没有电磁辐射，第三方无法进行无线监听或探测；2、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；3、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；4、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。二、中国量子通信发展环境（一）国家政策大力扶持量子通信发展我国从2001年开始，在科技部“973”计划、“863”计划、国家自然科学基金重点项目、中科院知识创新工程重大项目以及“十二五”专项规划前瞻性支持下，量子通信试验验证获得重要进展。国家十三五规划建议中要求部署一批体现国家战略意图的重大科技项目，量子通信首当其冲。在我国大力支持高科技战略新兴产业发展的现阶段，以量子信息技术为代表的高尖端领域或许已经迎来最好的发展时期，未来政府加大投入和扶持力度是大概率事件。同时国家层面对于信息安全空前的重视程度，都促使量子信息成为具有顶层战略意义的重要领域和发展方向。科技部2016年2月16日信息安全上升到国家战略地位，世界各国也越来越重视信息安全产业的发展，纷纷出台相关信息安全政策，因此加大了对量子通信的政策扶持。（二）信息安全威胁越来越严重，量子通信行业联盟成立全球网络安全威胁仍呈现爆发性增长的态势，各类网络攻击和网络犯罪的现象屡有发生，并且呈现攻击手段多样化、工具专业化、目的商业化、行为组织化等特点。2015年中国重要的泄露事件，主要有：机锋用户数据泄露、酒店开房记录泄露、海康威视监控设备被境外控制、超30省过5000万社保信息泄露、人寿10万保单信息泄露、考生信息泄露、大麦网600万用户信息泄露、苹果xcode开发工具大范围感染APP应用、网易邮箱过亿用户敏感遭泄露、伟易达集团500万个家长和超过20万个小童的数据资料泄露、申通快递13个信息漏洞，越3万信息被窃取等等。当前移动互联网已经成为全球发展最快、潜力最大的新兴市场。在移动互联网给用户带来便捷服务的同时，也为恶意软件的传播提供了新的通道，使得用户自身的重要敏感信息容易处于极不安全的环境之中。此外，由于智能终端的移动性与通话、短信、话费、移动支付、用户隐私等重要信息密切关联，其蕴含的巨大经济利益势必将吸引大量黑客开发恶意程序，从而造就了趋利性明显的特征。图表信息安全受到威胁资料来源：产研智库量子通信是信息安全研究重点方向，量子通信具有传统通信方式所不具备的绝对安全特性，不但在国家安全、金融等信息安全领域有着重大的应用价值和前景，而且逐渐走进人们的日常生活。2015年12月19日中国量子通信产业联盟成立，由中国科学院国有资产经营有限责任公司（国科控股）牵头，中国科学技术大学、科大国盾量子技术股份有限公司、阿里巴巴（中国）有限公司、中国铁路网络有限公司、中兴通讯股份有限公司、北方信息技术研究所等单位组成。三、量子通信应用分析量子通信在军事、国防、金融等信息安全领域有着重大的应用价值和前景，不仅可用于军事、国防等领域的国家级保密通信，还可用于涉及秘密数据和票据的电信、证券、保险、银行、工商、地税、财政以及企业云存储、数据中心等领域和部门，而技术又相对成熟，未来市场容量极大。图表量子通信在信息安全方面的应用机会资料来源：产研智库2012年2月中国金融信息量子通信验证网开通，量子通信在金融信息安全领域应用开端。该金融信息量子通信验证网由中国科学技术大学、新华社联合安徽量子通信技术有限公司、山东量子科学技术研究院有限公司共同建设。该项目首次在全球范围内利用量子通信网络技术以保障金融信息的传输安全，属于量子通信技