（已压缩）未来产业研究2024年第3期（总第10期）：量子通信发展动向、趋势研判及重点布局建议量子通信发展动向、趋势研判及重点布局建议水印版

来 研 未产业究 赛迪研究院主办 2024年7月25日 第3期 总第10期 本期主题 □量子通信发展动向、趋势研判及重点布局建议 『所长导读』 习近平总书记在主持中央政治局第二十四次集体学习中指出，近年来，量子科技发展突飞猛进，成为新一轮科技革命和产业变革的前沿领域。加快发展量子科技，对促进高质量发展、保障国家安全具有非常重要的作用。量子通信作为量子信息领域的细分领域之一，主要国家均加大量子通信领域的战略布局和政策支持，力争掌控技术要道、赢得国家安全主动权。为了深入了解量子通信领域的最新发展趋势，把握产业动向和技术前沿，未来产业研究中心推出未来产业研究专刊，聚焦全球量子通信产业发展新动向、新态势。 当前，量子通信已发展至规模化应用关键时期，无论是量子密钥分发、后量子密码等技术，还是星地一体化等基础设施，都取得了一定突破，呈现出良好的发展态势。相关项目的逐步落地，标志着量子通信已具备初步产业化条件。量子通信关键系统和设备工程化、小型化加速突破有望开辟新应用场景和商业模式。但也应看到，量子通信产业发展尚处于起步探索阶段，在核心器件、工程化能力、商业应用等方面仍面临诸多短板。 希望本期内容能够为各级政府部门制定量子通信产业发展政策提供参考，为行业把握技术趋势、优化发展路径提供借鉴，为推动我国量子通信产业实现跨越式新发展，抢占未来产业发展新高地，打造新质生产力提供重要参考。 赛迪智库无线电管理研究所（未来产业研究中心）所长韩健 2024年7月25日 目录 CONTENTS 本期主题：量子通信发展动向、趋势研判及重点布局建议 一、量子通信发展动向…1 （一）量子通信发展历程1 （二）量子通信发展路线…5 二、趋势研判11 （一）量子通信赋能更多应用场景11 （二）标准逐步完善，为行业发展“保驾护航”12 （三）QKD科研活跃，实验系统性能获进一步提升12 （四）量子保密通信与PQC有望形成融合应用方案12 （五）量子信息网络持续研究，使能技术有待突破13 （六）无中继光纤量子通信网络前景可期…14 三、重点赛道布局建议14 （一）聚焦量子密钥分发（QKD）关键组件的工程化攻关，加速推进技术成熟和产业化进程14 （二）加快构建抗量子计算的新型信息安全基础设施，形成自主可控的量子安全密码解决方案15 （三）推动地面量子通信与卫星量子通信的融合发展，打造天地一体化的基础设施15 （四）超前布局量子网络基础理论与使能技术，加速推进量子通信、量子计算与量子传感的融合发展15 本期主题：量子通信发展动向、趋势研判及重点布局建议 本期主题： 量子通信发展动向、趋势研判及重点布局建议 一、量子通信发展动向 （一）量子通信发展历程 量子通信技术是基于量子力学的基本原理，提供了一种在安全性和传输效率上超越传统通信手段的新型通信方式。与传统的通信技术相比，量子通信展现出了更高的传输容量和安全性。自20世纪80年代量子通信理论的兴起，这一领域已经从初步的实验室探索，逐步发展到工程化和网络化的成熟阶段，形成了一个具有高技术壁垒的重要产业，并在行业成熟度上持续提升。全球量子通信技术的发展可划分为四个主要阶段：初步探索与实验阶段、理论创新与突破阶段、行业应用案例积累阶段以及生态系统的逐步完善阶段。 1、概念探索和试验研究阶段 （20世纪70年代-2000年） 量子通信概念雏形首次被提出 并开始搭建理论基础。量子通信的初步构想及其理论基础是在20世纪70年代初期由哥伦比亚大学的学生StephenWiesner首次提出，他探索了量子物理原理在解决传统物理学难题上的潜力，并引入量子多路复用信道和量子货币的概念。1968年，以色列科学家StephenWiesner提出量子系统在处理信息方面的潜力，激发了量子通信和量子密码学的发展。1979年，IBM的Bennett和蒙特利尔大学的Brassard提出量子通信传输的初步设想。1981-1982年，AlainAspect通过使用纠缠光子进行的开创性实验，验证了量子力学的有效性，为量子计算、量子网络和量子通信的发展奠定了基础。1984年，IBM公司提出了BB84量子密钥分发协议，利用单光子的不可分割性和未知量子态的不可复制性，从理论上确保密钥的安全性， 《未来产业研究》2024年第3期1 专业就是实力精准就是品牌 从而保障信息传输的安全性。然而，在量子通信的早期阶段，其安全通信的有效距离仅能达到10公里左右，尚未达到实用化的要求。同年，RichardFeynman首次提出量子计算的概念，这为量子通信的研究提供了重要的理论支撑。 从量子密码学概念提出到远距 离传输量子态的成功实现，引领量子通信技术快速发展。1992年，法国物理学家阿兰•阿斯佩（AlainAspect）发表了一篇开创性的论文，题为“量子密码学”，在其中他提出利用量子纠缠现象来实现安全通信的新理念，为量子通信的理论发展带来重大突破。1993年，C.H.Bennett提出量子通信这一概念。同年，一个由多国科学家组成的团队，提出了一种将经典通信与量子通信相结合的方法，用以实现量子隐形传态，为量子通信技术的深入探索奠定了基础。1995年，中国科学院物理研究所成功完成中国首次量子密钥分发（QKD）实验。1997年，潘建伟教授与荷兰学者罗纳德•波米斯特（RonaldPol）等人合作，首次在实验上实现未知量子 2《未来产业研究》2024年第3期 态的远距离传输，标志国际上首次成功地将一个量子态从一个地点的光子传输到另一个地点的光子上。 2、重大理论突破阶段（2001- 2006年） 量子通信在理论研究上出现重 大突破。2002年，德国和英国的研究机构在两座相隔23.4公里的山峰之间，通过激光技术成功地传输光子密钥，展示了利用近地卫星进行量子密钥传输并构建全球量子密钥分发网络的潜力。2003年，来自韩国、中国和加拿大的科学家们提出诱骗态量子密码的理论方案，有效解决了在现实系统和现有技术条件下，量子通信的安全速率随距离增加而显著降低的问题。2004年，美国的BNN公司建立了世界上第一个量子密码通信网络，并在马萨诸塞州剑桥城开始运行。维也纳大学的科学家们完成了首个基于量子纠缠的量子通信实验，通过编码和解码纠缠光子实现量子密钥的安全分发。同年，中国郭光灿教授的科研团队在北京和天津之间成功实现125公里光纤的点对点量子密钥分发。2005年，潘建伟教授的团队在 本期主题：量子通信发展动向、趋势研判及重点布局建议 全球首次实现了13公里自由空间的纠缠光子分发和量子密钥生成，验证了纠缠光子能够穿越大气层。同时，王向斌、罗开广、马雄峰和陈凯等中国科学家共同提出了基于诱骗态的量子密钥分发实验方案，理论上将安全通信距离显著提升至超过100公里。 3、技术应用探索开展阶段 （2006-2012年） 一密”原则的实时网络通话和三方对讲功能。2010年，日本多家公司与Toshiba欧洲研究中心、瑞士IDQuantique和奥地利维也纳研究组合作，建立了东京量子密钥分发网络。2012年，合肥在中国建成了首个规模化的城域量子通信网络，其规模超越了当时国际上的类似网络。 4、产业生态逐步完善阶段 （2013年-至今） 各国量子通信网络基本处于 全球量子通信技术的实用化不 建设中期或完成试运营阶段。2006年，美国国防部高级研究计划局 （DARPA）完成一个包含8个节点的量子密钥分发网络的构建。2007年，由奥地利教授Zeilinger领导的欧洲研究团队成功在相隔144公里的两个岛屿间实现单光子传输和密钥分发。同年，中国也成功进行“量子路由器”的试验，以建立量子密码通信网络。2008年，欧洲的联合研究小组在维也纳建立SECOQC量子安全通信网络，成为全球首个由量子密钥技术保护的计算机网络，覆盖12个国家，包含6个节点和 8条链路。2009年，中国成功开发量子电话样机，实现了基于“一次 断加强。2013年，意大利启动量子通信骨干网建设计划，连接弗雷瑞斯和马泰拉，总长度达到了1700公里。2015年，英国推出价值4亿英镑的“国家量子技术专项”，旨在建立量子通信、传感、成像和计算的研发中心，推动学术与应用研究。2021年4月，英国完成其首个工业量子安全网络的测试工作。2016年，韩国在首尔周边地区完成了其国家量子保密通信测试网络的第一阶段建设，网络总长度为256公里。 同年8月，俄罗斯在鞑靼斯坦共和国启动首条多节点量子互联网络的试点项目。2017年，日本信息通信研究机构利用超小型卫星成功进 《未来产业研究》2024年第3期3 专业就是实力精准就是品牌 行量子通信实验，标志量子通信技术可以以更低的成本在小型卫星上实现，预示着更多研究机构和企业将参与到量子通信产业的发展中。2018年，欧盟启动超过30亿英镑的“量子技术旗舰项目”，计划在2035年左右构建起泛欧量子安全互 联网。同年11月，德国通过《量子技术：从基础到市场》的框架计划，计划投入6.5亿欧元，为量子技术的研究与发展打下坚实的基础。2019年，七个欧盟成员国达成共识，共同探讨在未来十年内开发和部署量子通信基础设施，以提升欧洲在量子技术、网络安全和产业竞争力方面的地位。2020年，日本开始着手建立全球量子加密网络，并积极推动单自旋器件、量子传感器和量子中继技术的发展。2021年4月，英国完成首个工业量子安全网络的测试。同年6月，俄罗斯国营铁路公司开通了从莫斯科到圣彼得堡的量子通信干线，全长700公里，成为欧洲最长的量子通信线路。俄罗斯政府计划在未来10至15年内实现量子通信网络的商业运营。2021年7月，欧盟委员会计划推出基于 4《未来产业研究》2024年第3期 卫星的安全连接系统，旨在为欧洲各地提供高速宽带服务，确保连接的可靠性、安全性和成本效益。 我国量子通信网络建设、应用取得进展。量子通信网络建设方面，2013年，济南量子通信试验网正式启用，标志着中国首个以实际应用为目标的大型量子通信网络的诞生。2014年，京沪干线项目启动，旨在打造全球最长距离的广域光纤量子保密通信骨干线路。2017年8月，合肥完成全网的技术验收工作，随后在同年9月29日，京沪干线正式开通，成为世界上基于可信中继方案的最远距离量子安全密钥分发干线。2018年11月，量子通信的“武合干线”成功贯通，武汉量子通信城域网的启动不仅标志着“量子通信京沪干线”项目的首条商业延伸线“武合干线”的投入运维，而且还正式接入了国家量子骨干网——“京沪干线”，成为国家量子通信网络向南和向西延伸的关键支撑点。量子加密通信技术应用方面，2015年，工商银行北京分行实现了电子档案信息的同城加密传输，同年，成立“中国量子通信产业联盟”。2017年7月，中 本期主题：量子通信发展动向、趋势研判及重点布局建议 国首个商用量子保密通信专网——济南市党政机关量子保密通信专网顺利通过了技术验收。 我国量子通信科研持续取得突 破。2020年3月，由潘建伟院士领衔的中国科学技术大学团队，联合清华大学和山东济南量子技术研究院等单位，成功实现在真实环境下500公里以上光纤的双场量子密钥分发（TF-QKD）和相位匹配量子密钥分发（PM-QKD），其中传输距离达到了509公里，刷新了世界纪录。这一成就标志着我国在量子中继技术领域取得了关键性进展，首次在国际上实现50公里光纤存储 器间的量子纠缠。进入2021年1月，潘建伟院士及其团队成员陈宇翱、彭承志等，与中国科学院上海技术物理研究所的王建宇研究组、济南量子技术研究院和中国有线电视网络有限公司携手合作，完成跨越4600公里的星地量子密钥分发，标志着我国在构建天地一体化广域量子通信网络方面迈出了重要步伐，为实现全球覆盖的量子保密通信网络提供了坚实的科学与技术支撑。2022年5月，潘建伟院士及其团队 成员彭承志、陈宇翱、印娟等，借助“墨子号”量子科学实验卫星，首次实现地球上相隔1200公里的两个地面站之间的量子态远程传输。这一创新成果为构建全球性的量子信息处理和量子通信网络铺平了道路，是