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粤港澳大湾区量子保密通信与量子网络发展战略

摘要

量子保密通信与量子网络作为战略性前沿技术,与国家安全和前瞻性技术战略关系密切,具有广泛应用的潜力。简要综述量子保密通信与量子网络的研究进展以及产业基础,分析国际量子科技战略,提出遵循粤港澳大湾区发展创新驱动、改革引领的基本原则,集聚国际创新资源,攻关量子网络的基础科学和若干实用关键技术,规划部署粤港澳大湾区量子干线和制定QKD量子网络评估策略,有助于打造湾区国际量子创新高地及培育具有国际竞争力的量子保密通信与量子计算现代产业体系。

0 引言

量子保密通信是信息安全领域近40年来取得的重要突破,是利用量子效应实现具有高度安全性的新一代通信技术,是国际量子物理学和信息技术的研究热点。自从1984年Bennett和Brassard提出BB84协议以来,基于QKD(Quantum Key Distribution)的量子保密通信技术得到了迅速的发展。

世界各国的科学家们在量子计算与量子调控、量子网络应用等领域取得了极大的成就,实现了长距离的稳定传输、多自由度的调制、量子网络干线、机载量子纠缠密钥分发、天地一体化通信和洲际通信等。量子保密通信与量子计算战略性前沿技术关系国家安全,正在推动全球经济发展和社会进步,对军事、经济、金融、社会等各领域安全带来深远影响。

目前,世界各国都在战略部署量子保密通信与量子计算研究,我国也将新一代量子通信与网络、量子科学、人工智能等研究领域作为前沿科学布局。

粤港澳大湾区包括香港特别行政区、澳门特别行政区,以及广东省广州市、深圳市、珠海市、佛山市、惠州市、东莞市、中山市、江门市、肇庆市,总面积5.6万平方公里,2018年末总人口达7115.9万人,经济总量也超过了12万亿元人民币。粤港澳大湾区是推动我国经济高质量发展的重要阵地,在国家发展大局中具有重要战略地位。

因此,研究量子保密通信网络与量子计算领域的基础与应用基础,分析国际量子科学发展战略构想,引领粤港澳大湾区信息安全与通信技术创新驱动,攻关量子网络的基础科学和若干实用关键技术,有助于大湾区完善区域协同创新体系,集聚国际创新资源,保障经济、社会领域安全,建设具有国际竞争力的国家量子创新发展区域。

1 量子保密通信与经典通信网络融合

1.1 高性能QKD保密通信战略性技术目标

1989年,Bennett 和Brassard 基于BB84 协议实现了世界上第一个QKD传输实验,遗憾的是传输速率只达到10 bit/s,传输距离只有32cm。近年来QKD关键技术屡获突破,光纤中点对点无中继的QKD传输距离已经超过250km;基于纠缠光子对的QKD传输距离更有超过300km光纤的报道,这类QKD实现了长距离的传输,但弱脉冲的精密控制和探测实验技术工程化难度大。

测量设备无关QKD的传输距离超过400公里,有可能成为远距离光纤量子通信的发展方向。2020年3月有报道双场量子密钥分发(Twin Field QKD,TF-QKD)在真实环境光纤中传输距离可达509公里。

量子安全直接通信(QSDC)是量子保密通信的一个重要分支,QSDC采用低密度奇偶校验码,直接传送秘密信息,在高噪音和高损耗的现实环境中工作,重复频率为1MHz,安全通信速率50bps,尽管可有效地发送文本消息、较小容量的图像和声音文件,但需要用到超导探测器,传输距离1.5公里。

高性能QKD终端及核心部件先进装备制造包括量子互连、量子中继器、量子存储器、量子信道、纠缠提纯/交换和天基空间载荷等上下游产业链,是构筑未来量子网络的基础和关键技术。

正如美国白宫2020年发布《美国量子网络战略构想》所言,量子保密通信与量子网络远景取决于可靠地连接量子设备的基础设施平台的能力,也取决于开发量子信息科学在安全、传感和计算模式等方面的应用的能力。因此,战略部署攻克高性能QKD系统,解决高码率、稳定运行技术难题是QKD网络接入和推进产业应用的重要任务。

1.2 量子与经典通信融合新型量子网络

QKD系统的网络应用是量子保密通信的产业发展目标。1994年,Townsend等采用光功率分配器构建了基于无源光网络(Passive Optical Network, PON) 的多用户量子密钥分发。

2003年,Brassard提出一种采用波分复用技术(Wavelength Division Multiplexing, WDM)的基于光纤的量子密钥分发网络。

近些年报道了很多QKD网络应用,如美国国防部联合多家研究机构建立的世界上第一个QKD网络DARPA、欧盟资助的SECOQC网、华南师范大学刘颂豪院士研究小组基于教育骨干网建设天河区-番禺区量子网、中科大郭光灿院士研究小组的北京网通商用光纤骨干网络和芜湖量子政务网、中科大潘建伟院士团队的量子通信网络以及日本和欧洲等九个单位的东京量子保密通信网。

2017年11月中科院宣布开通的京沪量子通信试验干线、2018年沪杭试验干线开通检测。这些研究验证了构建基于QKD的量子保密通信网络的可行性,推动了量子通信网络的研究和发展,为量子通信网络提供了理论依据和产业应用的参考。

2019年2月中科院院士刘颂豪联合国内量子信息一流团队启动广佛肇量子安全通信示范网建设,成果将对建设粤港澳大湾区量子通信环网推广应用、建成国际量子通信枢纽具有重要意义。

可以发现,以上的QKD网络,都分别或同时采取下列两类光接入网络方案:基于可信节点的中继方案和基于无源光器件的透明光路方案。前者可以任意扩展密钥分发的距离,但必须保证所有节点的物理安全;后者可以在非可信的网络中实现多用户之间的密钥分发,然而量子信号传输距离和密钥生成率都受到光路损耗和噪声干扰的限制。

国内外研究表明QKD波分复用的量子经典融合通信面临解决量子信号与经典信号如何共存的问题,亟需发展网络接入的基础理论,并提出解决融合网络信号共存和安全性等关键问题的方法。另外,基于地面量子干线链路和QKD终端,机载量子密钥分发、空天一体化通信是未来天地一体化通信的产业应用和国际量子网络的技术挑战。

2018年12月,美国国会高票通过《国家量子倡议法案》(NQIA),其中提出了三大目标:用量子技术开发新一代传感器、制造量子计算机、建立全球量子通信系统。粤港澳大湾区建设国际创新中心系列行动,抢占量子通信与网络国际制高点责无旁贷。

2 粤港澳大湾区量子科技发展战略

目前,我国量子信息领域基础与应用基础研究处于国际前沿,但量子信息与量子网络仍处于规模化产业应用的早期阶段。美国战略界对中国量子科技发展态势的关切是美国量子战略发展的重要推动因素。因此,我国量子科技和产业发展期待持续性的发展战略引导,亟须国际科技创新承载地,粤港澳大湾区发展正是机遇。

2.1 国际量子科技战略

目前,全球主要科技大国均注重量子技术领域的战略投入,过去20多年来,欧洲投入了5亿欧元支持该领域前沿研究。例如:英国在五年内为国家量子技术项目投资2.7亿英镑并于2014年建立了连接8个大学或公司的量子枢纽以及投资3000万欧元的 ERANet(QuantERA) 量子科技工程。

2018年,欧盟委员会启动量子技术旗舰计划(Quantum Flagship),预计投资10亿欧元。俄罗斯先期研究基金会自2014年至2017年支持莫斯科大学与俄“信息技术”(InfoTeks)公司联合研发QKD设备,并于2016年在实际部署的光纤链路进行了验证。

法国在2019年举行了数月的听证会后,2020年1月法国国会议员保拉福尔蒂扎(Paula Forteza)提出制定量子技术国家战略的计划,计划标题为“量子:法国不会错过的技术转变(Quantum: the technological turn that France will not miss)”,该计划要求法国政府在五年内从公共部门、私营部门、地方政府和欧盟的支持资金中抽出14亿欧元用于量子技术的投资。

美国总统特朗普2018年12月21日签署《国家量子倡议法》(NQI Act),2020年2月美国白宫网站近日发布一份《美国量子网络战略构想》,提出美国将开辟量子互联网,确保量子信息科学(QIS)惠及大众。

国际量子科技领域视野的中美竞争态势日趋明显。习近平总书记的指示:“科学家们开始调控量子世界,这将极大推动信息、能源、材料科学发展,带来新的产业革命,量子通信已经开始走向实业化,这将从根本上解决信息安全问题,同时将形成新兴通信产业。”自2015年以来,中国加大了在量子信息科技领域的战略投入。2018年以来广东省启动了量子科学与工程重大专项等聚焦“卡脖子”问题 9 大重点领域研究计划。

2.2 粤港澳大湾区量子科技发展机遇

粤港澳大湾区国家中心城市广州一直在关心支持量子通信与信息安全等前沿技术的发展, 并培育、引进了一批量子信息领域的研发队伍及配套的产业化企业。华南师范大学刘颂豪院士早在1986年始建立了华南量子电子学研究所,引领量子信息与光通信技术,近年来中山大学、华南理工大学、暨南大学以及南方科技大学等引进了一批量子通信与量子计算科研团队,汇聚了一流科研成果;同时与清华大学、北京邮电大学、上海交通大学等有广泛的合作基础。

另外粤港澳大湾区的其它城市引进国腾量子、国盾量子、国科量子等量子科技企业。粤港澳大湾区量子通信与量子计算产业发展可极大地发挥我国制度优势,紧抓住大湾区国家战略发展机遇持续发力,打造量子通信、量子计算及量子互联网国际化应用的国际高地。

2.3 粤港澳大湾区量子科技发展战略

2.3.1 建设粤港澳大湾区国际量子科技创新中心

2020年美国的《国家量子倡议法案》,特朗普政府决定将更多资金投入到人工智能和量子信息科学等创新机构。法国量子技术国家战略的计划提出2021年起法国ANR(国家研究局)的“量子技术中心”的实施AAPR专项,每年超1000万欧元,在巴黎,Saclay( 萨克雷; 萨克莱)和Grenoble Quantics( 格勒诺布尔量子学 ) 创建三个“枢纽中心(Hubs)”,支持涉及量子通信专家、网络安全专家和电信设备制造商的QKD技术(如连续变量和可变系统离散、量子中继、卫星链路等)的研究。

加大量子科技与信息交叉学科的人才引进和培养,充分发挥粤港澳科技研发与产业优势, 激发各类创新主体活力,遵循粤港澳大湾区发展创新驱动,改革引领的基本原则,建成具有全球影响力的量子科技国际创新中心,有望成为全球科技创新高地和新兴产业重要策源地。

2.3.2 培育量子保密通信与量子网络现代产业体系

1969年,美国国防部高级研究计划局(DARPA)建立了4个节点的ARPANET网络,推动了后来的互联网诞生,导致了信息爆炸,有力推动了社会经济增长。同样,美国联邦政府力图在推动量子信息基础研究、引领量子信息技术方面发挥不可或缺的作用。美国国防高级研究计划局于1994年始的3-5年内在军队实施量子通信计划,使其具备向战场和向全球传输安全加密报文能力。

《美国量子网络战略构想》认为由量子计算机和其他量子设备将构成庞大的量子互联网,并将催化出许多新兴技术,加速现有互联网的发展,改善通信安全性,在计算领域取得巨大进步。2020年法国量子技术国家战略的计划,提案计划在2024年之前,创建大约50家量子初创公司,建立一个3至5亿欧元的后期投资基金,专门用于投资量子初创公司。

粤港澳大湾区拥有华为、腾讯等通信、互联网国际巨头企业优势以及产业链基础,引进了国腾量子等自主创新的量子科技企业落户,在培育具有国际竞争力的量子保密通信与量子计算高科技企业和现代产业体系方面有得天独厚的优势。

大湾区积聚了中国改革的成就,可培育高性能QKD终端先进装备制造产业,包括开发自主创新的量子信息与量子通信操作系统等软件生态;突破量子保密通信与经典通信网络融合技术,可创新数字经济,扩大数字经济产业规模,包括开发量子加速处理器、量子计算基础架构与量子计算机;开创机载量子密钥分发及应急通信产业,保障国家经济和社会安全;打造量子干涉检测环境与大气监测产业链,创新生态保护与监测产业;另外,粤港澳大湾区是我国开放程度最高、经济活力最强的区域之一,也是我国经济制度最复杂的区域之一,涉及“一个国家、两种制度、三个关税区、三种货币”以及多个特色各异的城市,基于量子保密的新型金融基础设施更新与产业应用,将迸发新活力。

2.3.3 粤港澳大湾区量子保密通信环网

(1)粤港澳大湾区量子保密通信干线

国内已成功建设完成“京沪”、“沪杭”等量子通干线并开始探索运营,2019年2月,中科院士院士刘颂豪联合国内量子信息一流团队启动粤港澳大湾区量子通信首条示范干线建设,目标建成广州城域量子安全通信网路、佛山节点及肇庆城域量子安全通信时频网路,成为华南地区首批量子安全通信网络,理论规划光纤星地一体6个闭环网,并在政务、金融及其他行业进行示范应用(如图1所示)。

粤港澳大湾区量子保密通信与量子网络发展战略 网络安全动态 第1张

图 1 广佛肇量子干线网络

量子通信与量子计算、量子科学与工程是广东省的重大科技专项,在广州、佛山、肇庆三地政府的支持下,分阶段、有步骤建设广佛肇量子通信干线并投入运营,推进量子通信技术的产业化,在具备条件的基础上,再向香港、澳门两地延伸,最终形成粤港澳大湾区量子通信干线,成果将对建设粤港澳大湾区量子通信环网,建成国际量子通信枢纽具有重要战略意义。

(2)制定基于国际与中国电信认证体系QKD量子网络评估策略

目前量子信息技术和产业仍处于早期阶段,其前景在于能否开发出其在军事、政府、银行和数字经济等领域的应用能力并具有一定的成本优势。如何可靠地实现量子设备之间的连接和无缝接入现有通信网络是亟待解决的关键问题。

量子经典信道融合是解决上述问题的有效途径之一,是当前QKD光接入网应用与发展的挑战性任务,制定基于国际与中国电信认证体系的QKD系统评估策略,对量子网络发展新思路具有挑战性和理论价值,对加强量子网络规模集成与国家安全,具有重要的理论价值和现实意义。

(3)粤港澳大湾区量子计算与高性能计算大数据平台

量子计算机(quantum computer)是一类遵循量子力学规律进行数学和逻辑运算、存储及处理量子信息的物理装置,利用量子特性来完成计算。量子计算机的基本组成部件分为硬件和软件部分,硬件部分是如何通过物理的相互作用实现对量子比特的操控和测量;软件部分设计量子门的序列(量子线路)或者设计最优化的量子算法,使其能够处理一些复杂的计算问题。1994年,Peter Shor提出了一个能在多项式时间内分解给定整数的量子算法。1996年贝尔实验室科学家Lov Grover提出 Grover 量子搜索算法。

当前量子计算机和量子模拟器的研究重点应该放在发展优于经典量子算法的新量子算法,研究相干时间长的固态存储器,提高量子存储器的寿命,量子网络的发展超过几千公里,实现大于50-100量子比特和更大规模逻辑计算单元的量子计算机。

2017年5月,中国科技大学研究团队宣布构建出可用于多光子“玻色取样”任务的光量子计算模拟机,2019年获得 20 光子玻色取样新进展,但有人认为中科大的工作应该还属于实验室里的原理机,还算不上通用的量子计算机。

国际上正在角逐实现通用量子计算机,IBM和Google在量子计算机方面取得了一定的进展,他们的成果分别基于耶鲁大学Robert Schoelkopf 教授和加州大学圣巴巴拉分校John Martinis教授的研究。2017年4月,Google开发出9个量子位的量子计算芯片,5月IBM公司推出17个量子位的量子计算芯片,10月17日Intel公司发布了17个量子位的超导测试芯片,同一天IBM宣布量子计算已经突破了49量子比特的障碍。

实际上包括 John Martinis 教授坦承要真正做出稳定实用高效的量子计算机还有很多的路要走。粤港澳大湾区量子计算与高性能计算领域的重要战略是建设国际化量子计算基础和应用基础研究平台,紧跟量子计算国际前沿研究,培育国际一流人才,引领量子计算突破性发展,保持该领域的国际领先优势。

粤港澳大湾区量子计算与高性能计算另一战略举措是依托中山大学、深圳大学建设国家超算中心、国家高性能计算中心深圳分中心、大数据系统计算技术国家工程实验室以及江门、东莞、惠州等建有的其它大科学装置,建立量子计算与高性能大数据服务国家重点平台,解决超大工程项目、复杂计算产业应用,为大湾区高质量经济发展服务,将大力推动我国量子计算领域的发展。

3 结语

“量子计算与量子通信”是我国科技创新的重要战略方向,世界其它国家强化与盟国在量子科技领域的合作,中国与相关发达国家在量子信息技术领域的合作将会面临一定挑战。粤港澳大湾区国际科技创新的前沿,规划部署粤港澳大湾区量子干线和制定QKD量子网络评估策略等,集聚国际创新资源,攻关量子网络的基础科学和若干实用量子关键技术,有助于打造湾区国际量子创新高地及培育具有国际竞争力的量子信息现代产业体系,服务我国经济、社会安全,促进繁荣。

作者简介

郭邦红(1975—),男,博士,研究员,主要研究方向为量子通信与量子计算;

胡敏(1981—),男,博士,主要研究方向为量子保密通信;

毛睿(1975—), 男,博士,教授,主要研究方向为通用大数据管理分析方法和高性能计算;

陈国良(1938—),男,硕士,教授,中国科学院院士,主要研究方向为并行算法、计算机体系结构、计算机网络和神经计算、量子叠加并行算法等研究。

选自《信息安全与通信保密》2020年第五期 (为便于排版,已省去原文参考文献)

引用本文:郭邦红,胡敏,毛睿,等.粤港澳大湾区量子保密通信与量子网络发展战略[J].信息安全与通信保密,2020(05):64-71.

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