电子通讯

量子通信领域真正的国货之光 来了

2020-07-12 22:16

 

  20世纪最重大的科学是什么?毫无疑问,是量子力学的建立。一个多世纪以来,量子力学虽然备受争议,但已成为现代物理学的两大支柱之一,推动了半导体、激光、核能、超导、核磁共振等等的发展,从根本上改变了人类的生活方式和社会面貌。

  这其中,有一个更加年轻的领域,也是更受争议的领域,那就是量子通信。这是一个曾被“看不懂”的新事物,如今已成为国家重点支持的前沿科技和战略新兴领域。一个不那么广为人知的事情是,量子保密通信是近现代惟一一个由中国新创造的产业。近期,量子通信第一股国盾量子(688027)即将在科创板上市,标志着我国在量子通信产业化方面迈出了重大一步。

  量子力学是量子通信的理论基础,其中,叠加、纠缠原理对量子通信的研究起到了决定性作用。叠加原理指的是指一个量子系统可以处在不同量子态的叠加态上,即,你不观察它,一个电子既在A点又不在A点;你一观察,这种叠加状态就崩溃了,它就真的只在A点或者真的只在B点了,只有一个状态,“薛定谔的猫”就是其体现。而所谓量子纠缠,指的是两个处于纠缠态的粒子无论相距多远,都能“”和影响对方的状态,有点类似于心灵。

  这两个原理宏观世界认知,甚至可以用“诡异”来形容。20世纪以来,关于量子力学的拥趸与质疑齐飞,但同时,在各大领域应用飞速落地。

  1993年,美国科学家C.H.Bennett提出了量子通信的概念,随后,科学家开始进行大量研究。与很多中国后来居上的领域不同,在量子通信这里,中国科学家几乎一开始,就走在前沿。

  1997年,正在奥地利留学的中国青年学者潘建伟与荷兰学者波密斯特等人合作,首次实现了未知量子态的远程传输,这是后来被誉为“量子之父”的潘建伟在国际上第一次声名远播。

  将近10年后,2006年,潘建伟带领的小组、美国洛斯阿拉莫斯国家实验室、欧洲慕尼黑大学—维也纳大合研究小组,同时实现了超过100公里的态量子密钥分发实验,打开量子通信应用的大门。

  其后,量子通信一高歌猛进,传输记录不断被打破。最新的重大突破是,今年6月,潘建伟团队联合大学Artur Ekert等团队在《自然》发表的论文称,团队利用中国“墨子号”量子科学实验卫星实现了1000km级的基于纠缠的无中继量子密钥分发,相当于到武汉的距离。

  2009年,中国科技大学潘建伟、彭承志团队成立了安徽量子通信技术有限公司,即后来的国盾量子,成为最早从事量子保密通信产业化的企业。再之后的故事是,中国量子保密通信产业化走在了世界最前端。

  在“靠不靠谱”的质疑声下,潘建伟等人在量子通信领域做出的一批成就,底气在于量子通信的安全性。现代密码学认为:一切秘密寓于密钥之中,正是因为密钥,量子通信走进了密码学,服务于信息安全。

  现阶段,量子通信的典型应用形式主要分两种:量子密钥分发(Quantum Key Distribution, QKD)和量子传态(Quantum Teleportation,QT)。QKD主要采用1984年提出的BB84协议,利用量子的不可克隆性,对传统信息进行加密,实现点对点的安全通信;QT是利用量子的纠缠态来传输量子比特,可以实现任意远距离的量子密钥分发及网络,类似于“瞬间转移”。

  如沃尔夫物理学获得者、量子密码的提出者之一Gilles Brassard所言,量子保密通信“将最终实现所有密码学者千年来的梦想”。

  QKD是目前远距离安全量子通信的主要应用方向。基本方法是使用量子态来编码信息,通过对量子态的制备、传输和检测来达到安全分发随机数——即密钥的目的,这种分发的安全性不受人类计算能力的影响,常被称为信息理论安全性。由于量子力学的测不准和不可克隆,者无法取得正确的密钥。而在传统的光纤通信方式下,让光缆泄露一部分能量,就能够光缆传递的信号,从而导致信息泄露。

  不过在应用中,QKD仍是依托于光纤通信的,简单来说,量子通信=传统通信+量子密码,它更像是给传统通信增加了更加安全的量子密码保障。QKD的优势主要有两个:一是能判断出密码是否被者复制过;二是“一次一密”,密码用过一次后就不存在了,这在信息论里被称为“一次性便笺”。

  不过,这也可能引出通信难以进行或者通信成本高的问题,因而相对比较小众。纵览历史,从牛顿到爱因斯坦,再到量子理论的发展,经过漫漫百年长,而量子通信理论提出只有27年,还需持续探索,甚至可能被。市场的普遍观点是,量子通信是个挑战和机遇并存的新兴行业。

  实际上,量子通信、量子计算和量子测量共同组成了量子信息——这个由量子力学和信息技术交叉形成的前沿科学,其中量子通信是目前应用最多的方向。近年来,“棱镜门”、华为被持续、全球最知名加密机器制造商被美国操控多年,诸多事件让信息技术自主可控成为时代强音。量子信息竞赛,已经在各大国之间展开。

  早在2002年,美国高级研究计划局就制定了《量子信息科学和技术发展规划》,给出量子计算发展的主要步骤和时间表,故此美国早在21世纪初期便在量子信息领域领先。

  随后,相继出台量子信息的国家战略,美国、欧盟、俄罗斯印度均已提出巨额资金投入和长期规划。2020年2月,美国发布了“美国量子网络战略愿景” ,表示将构建基于量子保密通信的量子互联网,还将量子信息设置成出口管制重要领域。目前,日本东芝、IDQ、奥地利的All Vienna都是世界上研究量子通信(主要是量子安全密码服务)的著名厂商。

  于中国而言,量子计算方面仍在追赶,但得益于潘建伟等人的努力,在量子通信竞赛中,中国的研究和应用世界领先。目前,我国已经成功发射世界首颗空间量子科学实验卫星“墨子号”,开通了全球第一条量子保密通信干线年,“墨子号”顺利完成任务后,获得多项国际领先的科学,我国第一次在空间量子科学研究领域走到了世界最前列。

  远距离、无中继、小型化成为量子通信应用的主要攻克方向。目前,我国已经实现500公里级真空光纤的双量子密钥分发和相位匹配量子密钥分发,以及1000km级的基于纠缠的量子密钥分发。结合最新发展的量子纠缠源技术、高效星地链收集技术等,安全性和规模化程度还将大大提升。

  量子通信,正成为高等级信息安全的未来方向。当前,“以量子计算为代表的人类算力现有非对称密码体系”这一判断已经是主要密码技术国家的共识,纷纷启动的“抗量子计算”密码研究就是证明。而量子保密通信,已经成为近现代惟一一个由中国新创造的产业。目前我国多项核心技术研究领先全球,并且已经能实现核心部件的自主供给。更重要的是,我国有望成为全球相关行业标准和规则的制定者。

  行业先行者正在成为规则制定者的重要。截至2019年9月底,国盾量子正牵头或参与29项国际标准、国家标准、密码行业标准、通信行业标准的制定工作。

  2020年,距离潘建伟和彭承志等人创办国盾量子,是第11个年头。已成为中国科学院院士的潘建伟是国盾量子第二大股东,曾获国家自然科学一等的中科大博士生导师彭承志担任公司董事长,缘起于中科大、受安徽省扶持的国盾量子带着浓厚的科技底色和服务的色彩。

  招股书显示,国盾量子主要通过量子保密通信网络建设,为政务、金融、电力、国防等行业和领域提供组网及量子安全应用解决方案。

  目前,国盾量子主要为构建量子保密通信网、城域网、局域网,用量子密钥进行信息传输,支持公共安全、税务、司法、民政等数据的安全传输,该解决方案已用于合肥、济南、武汉、海口、贵阳等部门。

  QKD产品是国盾量子的核心产品。2017-2019年,量子保密通信产品销售金额分别为2.66亿元、2.46亿元、2.38亿元,占主营业务收入的比例分别为97.75%、95.81%、93.08%。而QKD产品分别占量子保密通信产品销售额的62.06%、70.26%和59.64%。目前,一台QKD产品平均售价为25.90万,价格较高,因此国盾量子的毛利率处于较高水平,2017-2019年分别为68.16%、74.33%、68.18%。

  截至目前,我国已建成的实用化光纤量子保密通信网络总长(光缆皮长)已达 7000 余公里,其中超过 6000 公里使用了国盾量子提供的产品且处于在线运行状态。

  此外,核心技术上国盾量子亦是行业领先,目前拥有国内外量子技术相关专利212项以及多项非专利技术。且通过与现网宽带光通信技术的融合,助推量子保密通信的大规模推广。同时,布局芯片等前沿技术,改变核心器件被美国“卡脖子”的状况。2017-2019年,公司研发投入占营业收入的比例分别为25.89%、36.35%、29.45%,截至2019年底,技术人员占比为45.41%。

  本次募集资金,国盾量子拟投入3.04亿元用于量子通信网络设备项目和研发中心建设项目,主要投入于高性能QKD技术、实用化星地量子通信系统研究、实用化短距空间量子通信终端研究等前沿技术。

  2012年,合肥建设全球首个规模化量子通信网络,随后量子通信产业逐步全国。预期未来3-5年,京津冀、长三角、珠三角、西南地区、部地区等城市带将陆续新建或扩建量子通信城域网,金融、电力等其他领域亦空间巨大。目前,仅有国盾量子是专业从事量子保密通信业务的上市公司,合作伙伴包括神州信息000555股吧)、中兴通讯000063股吧)、中国电信等。

  放眼世界,量子保密通信的商业应用都处于初级阶段。随着组网技术的成熟和终端设备的小型化、移动化,量子通信的应用还将扩展到电信网、企业网、个人与家庭、云存储等领域,长期有望产生量子云计算、量子传感网等一系列全新应用,真正进入量子互联网时代。在这个美国、欧盟、日本纷纷瞄准的战略新兴行业里,先行拿到船票的国盾量子,值得期待。