量子通信何时能实现大规模应用
量子通信何时能实现大规模应用
近期，我国科研力量在国际舞台上首次完成了量子微纳卫星与便携式地面站间的实时星地量子密钥分发（QKD）任务。这一壮举，成功在中国与南非相距12900多公里的地面站之间构建了量子密钥，实现了对图像的“一次性密钥”加密传输。这一突破性成果，不仅为全球量子保密通信网络技术的可行性提供了有力验证，而且在《自然》杂志发表后，引发了人们对于量子通信未来发展方向的广泛讨论和憧憬。量子通信距离大规模应用，为日常生活提供服务的目标，究竟还有多长的路要走？身为见证并助力量子信息产业从无到有的关键人物，我将在后续内容中，主要就基础技术突破、网络设施构建、行业应用规范等多个维度展开深入探讨。
量子通信需要走进日常生活
在探讨量子通信何时能够实现广泛运用之前，我们不妨先深入思考一个问题：为何它必须融入我们的日常生活？伴随着信息技术的进步，社会生产力持续增强，人们的生活方式不断演变，信息社会的内涵也在不断深化。物联网等技术的应用正逐步扩大信息收集的领域，信息处理的规模和关联方式也在不断增多。在不久的将来，智能系统或许能够依据个体的生理状况、居住环境、遗传信息、就医历史以及消费模式，自动规划其饮食、衣物、居住和出行；同时，生产系统亦能辅助绘制设计图，远程操控工厂进行生产，并借助无人机完成产品的配送。但需注意的是，这些先进技术若要避免成为双刃剑，必须在确保安全与可控的前提下才能得以应用。随着信息应用在生产和生活中的深入融合，我们迫切需要构建一个前所未有的强大安全防护系统，而量子通信技术正是这一系统构建中的核心和关键。
量子通信在信息采集环节提供传输安全保障，在信息处理阶段确保存储安全，而在信息应用层面则实施访问保护。其在部署形态上实现了从个人终端至应用系统再到基础设施的全覆盖，同时在管理调度上能够适应动态——包括长期与定点——以及跨域等多种机制。为了达成这些安全目标，量子通信技术必须拥有体积小巧的设备，这些设备便于在生产和生活的最前线部署，从而确保信息源头发送和终端接收的安全；同时，需要构建一个全国范围覆盖、跨区域连接、带宽宽裕的量子网络，以满足随时随地的接入需求以及充足的密钥供应保障；此外，还需建立符合标准的应用服务与管理系统，以保证在各类业务中，密钥的调度与更新、数据的分级保护等操作能够有序进行。只有当这些设施以较低的成本得以实现，我们才能迎来真正意义上的泛在化、普惠性的量子通信时代。
从可用到好用，走向大规模应用的创新密码
超万公里星地量子通信的成就，之所以被视为构建全球量子保密通信网络技术可行性的又一重要里程碑，乃是因为我国在此之前已经实现了其他具有里程碑意义的突破。我国量子保密通信项目“京沪干线”以及“墨子号”量子科学实验卫星，首次成功实现了天地一体的通信；我国科研人员依托双场协议技术，实现了千公里光纤的无中继量子密钥分发；此外，通过2.5GHz调制频率的芯片和多通道超导探测系统，我们还创造了每秒100Mb带宽的量子密钥分发等多项世界纪录。这些成就彰显了“天地合一”、“千里”、“百兆级带宽”以及“芯片”等核心技术的重大突破，而今亦见证了“万公里级”、“微纳卫星”以及“小型地面站”的诞生。当距离、速度和微型化均已实现，距离我们的最终目标，究竟还缺少哪一缕“助力”呢？
答案在于进一步的技术革新。目前开yun体育官网入口登录app，量子通信还处在科研工作者细致调整和精心组合的尖端科学实验阶段，尽管技术领先开元棋官方正版下载，但在稳定性、可靠性和集成度等方面，与工程化和实用化目标尚有较大距离。在具体应用层面，量子通信设备仅限于在机房内部署，而卫星通信也只能确保单个地面站的覆盖，难以满足随时随地进行接入的现实需求。相关试验系统的成本以及设备费用都相对较高。鉴于此，未来有必要将量子通信的关键部件转变为自主研制、性能卓越、能够大规模生产的集成电路芯片。通过增强集成电路的功能，或优化芯片的制造工艺与设计方案的匹配，可以显著提高量子设备的实用性并大幅削减成本，进而实现技术与应用领域的正向互动。
滚动式网络建设，构建大规模应用的现实基础
技术创新是推动量子通信广泛应用的先决条件，而规模化网络的建设则是其得以实际应用的根本保障。为了确保用户能够随时随地接入系统，并且能够提供充足的密钥供应，我们亟需构建一个全国范围内覆盖、跨区域互联互通、且具备高带宽性能的量子通信网络。我国已构建起约一万二千公里的量子保密通信主干网络，该网络覆盖了粤港澳、京津冀、长三角、成渝等关键区域；此外，还拥有多个城域网络，其中，合肥量子城域网规模最大，已为市区两级超过五百家的党政机关提供服务；同时，还有两颗量子卫星正在轨道上运行。未来，我们需要进一步强化城域网络建设、拓宽骨干网络范围，并增加用户接入的数量；同时，对现有的网络进行扩容和升级，确保在大量用户接入后，带宽需求得到满足；此外，还需打造量子卫星星座，以实现对偏远地区及移动平台等光纤无法覆盖场景的实时保障。
这表明，在具备低廉成本和高度可靠性的设备支持下，我们能够分阶段地推进量子网络的构建：首先确保关键信息基础设施的安全，随后逐步扩展至生产与生活的各个领域，最终实现量子安全服务的普遍化和公平化。在这一发展过程中，攻克关键网络技术并开展相关试验同样至关重要。“量子与经典共纤传输技术”能够有效节省有限的光纤资源；移动应用技术的拓展使得“最后一公里”的使用更加灵活；而异构组网技术则有助于实现不同服务区域、管控层级以及设备规格的网络互联互通。
运营商在此过程中扮演着核心角色。目前，中国电信已根据业务需求，率先在15个关键城市启动了量子城域网的构建工作。同时，还需加速推进“量子星座”的建设步伐。为此，一方面需要攻克星间或高轨量子通信的远距离传输难题，另一方面还要解决白天的量子通信噪声等关键技术的挑战。此外，若量子通信卫星的研发与发射能与其他航天项目如北斗导航卫星、高分辨率遥感卫星以及气象卫星等实现同步推进，这无疑将显著降低成本，并提升整体建设效能。
标准化发展，夯实大规模应用的安全底座
为了实现量子通信的广泛应用，我们未来必须拥有符合标准的应用服务管理系统，确保在各项业务中，密钥的调度与更新、数据的分级保护等关键环节能够得到严格且有序的执行。截至目前，量子通信行业已经推出了多项通信行业标准，这些标准不仅包括网络架构，还涵盖了设备与器件等多个层面的技术规范。鉴于密码技术标准需确保高度的安全性和谨慎性，目前仅将I类量子设备的技术规范纳入了密码行业的相关标准。为了在大规模协同环境下构建安全的密码系统并提供服务保障开yun体育app入口登录，未来必须研究和制定既简洁易控、又能充分适应技术进步和多样化应用需求的标准。可以借鉴历史悠久的密码基础设施建设规范，广泛汇聚设备制造商、网络服务提供商及用户单位的力量，在密码标准委员会的引领下，协同开展量子密码基础设施标准体系的构建工作。此外，还需搭建攻防演练场与评估平台，对量子安全系统及其规范进行全面检验，确保量子安全技术从理论到工程再到应用的完整闭环。
我国在量子通信领域实现了众多引人注目的创新突破，成功实现了从追赶者到领跑者的历史性转变。这些技术和产业的优势，为大规模实用化目标的实现奠定了坚实基础。在此背景下，未来仍需以芯片技术为核心，整合多项基础能力，同步推进技术进步和需求分析，以滚动发展的方式构建网络，并打造量子密码基础设施的标准体系。
路径与目标图已大致明朗。展望未来，在国家“量子技术发展蓝图”和“新兴未来产业赛道”等战略规划的引导下，将有更多资源汇聚其中。通过产学研用管各界的紧密合作，我国有望在日益激烈的量子通信国际竞争中持续巩固并拓展领先地位，使量子通信成为我国科技强国之路上一张璀璨的标志性名片。
（作者系安徽省量子信息工程技术研究中心主任）
