量子通信的問與答（下）世界各主要國家在量子通信領域的部署
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導讀
2018年是全球加快在量子信息領域行動部署的關鍵一年，我國在量子通信領域取得的成就和做出的貢獻得到了眾多知名科學家的充分肯定。11月上旬，第六屆國際量子安全研討會（ETSI/IQC Quantum Safe Workshop 2018）也將在北京召開，進一步討論推進量子安全密碼基礎設施的發展和相關技術的標準化。
量子通信為什麼會得到全世界的高度關注，在國際上發展情況又如何呢？墨子沙龍記者特地採訪了中國科學院量子信息與量子科技創新研究院的科學家們，並將採訪內容整理形成了《量子通信的問與答》，分（上）（中）（下）三期分享給大家。
編者按
2018年是全球加快在量子信息領域行動部署的關鍵一年。在這一年度里，美國加快推進「國家量子計劃」法案立法進程，目標是建立一個全面的、協調一致的國家政策，更好地支持量子研究和量子技術的發展；歐盟加快實施量子技術旗艦計劃，並發布了報告《Supporting Quantum Technologies beyond H2020》，提出「要統一部署建立服務於量子技術的基礎設施，包括量子通信地面網路和量子衛星」，目標是建設覆蓋全球的量子互聯網。
同時，促進量子通信研究和應用發展的有關國際會議也在2018年密集召開，其中，幾個重量級的會議都是在中國舉辦的，包括中國科學技術大學承辦的量子密碼界影響力最大的年度國際量子密碼學會議（Qcrypt 2018）和第一屆星地一體量子網路國際研討會（The 1st Satellite-Ground Integrated Quantum Network Workshop）。
國內外量子通信領域多名重要人士參加了會議，包括美國物理學家本內特（Charles H. Bennett）、加拿大密碼學家布拉薩德（Gilles Brassard）、牛津大學教授埃克特（Artur K. Ekert）、圖靈獎獲得者姚期智等人。眾多著名科學家在出席相關會議時，均對我國在量子通信領域取得的成就和做出的貢獻給予了充分肯定。另外，11月上旬，第六屆國際量子安全研討會（ETSI/IQC Quantum Safe Workshop 2018）也將在北京召開，進一步討論推進量子安全密碼基礎設施的發展和相關技術的標準化。
量子通信為什麼會得到全世界的高度關注，在國際上發展情況又如何呢？墨子沙龍記者特地採訪了中國科學院量子信息與量子科技創新研究院的科學家們，並將採訪內容整理形成了《量子通信的問與答》，分三期分享給大家。
本期提問一覽
1、問：我國已經建成了連接京滬兩地的量子通信幹線工程，其他國家建設的情況怎麼樣呢？
2、問：這麼說來，量子通信網路建設已經漸成氣候了，您能介紹下現在是哪些用戶在使用嗎？
3、問：據了解，英國國家網路安全中心（NCSC）曾經發布了一份白皮書，建議QKD在經過嚴格安全性測試並提高性價比之前，不提倡大規模應用，對於這種觀點我們如何理解呢？
4、問：聽您說了那麼多，一直都沒有提到美國，它作為世界頭號科技創新強國，在量子通信方面進展怎樣？
5、問：我們聽說歐盟2016年發布了量子宣言，也啟動了相關的量子計劃，您能簡單介紹一下計劃的進展嗎？
6、問：從國內外進展情況來看，我國在量子通信工程方面處於世界前列，請談談我國在量子通信工程建設方面積累的經驗，和對下一步工作的建議？
7、問：謝謝接受我們的採訪，通過這次訪問我們也更加了解了目前國際國內在量子通信技術工程化、實用化和產業化方面的最新進展，我們由衷地為我國在這一尖端技術領域取得的成果感到驕傲。
第三期 世界各主要國家在量子通信領域的部署
1、問：我國已經建成了連接京滬兩地的量子通信幹線工程，其他國家建設的情況怎麼樣呢？
答：從公開渠道了解的信息看，主要的發達國家都已經或正在加緊實施遠距離量子通信幹線工程。特別是2013年我國啟動量子保密通信京滬幹線工程建設以來，義大利、英國、韓國、俄羅斯等發達國家迅速啟動了相關工程，一些幹線網路也已經初步建成了。
比如，義大利啟動了總長約1700公里的連接弗雷瑞斯（Frejus）和馬泰拉（Matera）的量子通信骨幹網建設計劃，截至2017年已建成連接弗雷瑞斯（Frejus）-都靈（Turin）-弗洛倫薩（Florence）的量子通信骨幹線路[i]。英國正在建設英國國家量子通信測試網路[ii]，目前已經建成連接Bristol、Cambridge、South ampton和UCL的幹線網路，並於2018年6月擴展到英國國家物理實驗室（NPL）和英國電信公司（BT）Adastral Park研發中心[iii]，該網路由英國2015年啟動的國家量子技術專項予以支持[iv]，由約克大學牽頭建設[v]。
英國國家量子通信測試網示意圖
韓國計划到2020年，分3階段建設國家量子保密通信測試網路[vi]。目前第一階段環首爾地區的量子保密通信網路已於2016年3月完成，該階段網路自2015年7月啟動，由韓國科學、信息通訊和未來規劃部資助，韓國最大的移動通信運營商SK電信牽頭，聯合企業、學校、研究機構等多家單位共同完成，網路總長約256公里[vii]。
韓國量子保密通信網路建設規劃
另外，2016年8月，俄羅斯已經在其韃靼斯坦共和國境內正式啟動了首條多節點量子互聯網路試點項目，該量子網路目前連接了四個節點，每個節點之間的距離為30-40公里[viii]。而且去年9月，俄羅斯國家開發銀行在訪問中國科大上海研究院時表示，計劃投資約50億人民幣專項資金用於支持俄羅斯量子中心開展量子通信研究，並計劃借鑒京滬幹線經驗，在俄羅斯建設量子保密通信網路基礎設施，先期將建設莫斯科到聖彼得堡的線路。
2、問：這麼說來，量子通信網路建設已經漸成氣候了，您能介紹下現在是哪些用戶在使用嗎？
答：這個問題問得非常好。先說說我們國家京滬幹線的應用情況，目前除了按計劃接入的金融用戶外，電力系統、大數據互聯網企業也正在接入，特別是央行已經在制定金融領域接入使用的相關標準了。其他國家相關網路也有一批重量級用戶，如義大利量子通信骨幹網用戶囊括了義大利國家計量研究院、歐洲非線性光譜實驗室、義大利航天局等多家研究機構和公司；俄羅斯量子中心為俄羅斯儲蓄銀行總部和一家支行間建成了專用於傳遞真實金融數據的俄羅斯首條實用量子通信線路。
再比如，前面說到的韓國第一階段環首爾地區的量子保密通信網路，目前的用戶主要是公共行政事務、警察和郵政等領域的，正在向國防和金融領域拓展。這裡還有個情況值得重視，那就是今年2月26日，韓國SK電信宣布以約6500萬美元的價格收購IDQ公司50%以上的股份，成為其最大股東[ix]，據說這次收購的主要目的是開發應用於電信和物聯網市場的有關量子技術產品。
SK電信投資IDQ
3、問：據了解，英國國家網路安全中心（NCSC）曾經發布了一份白皮書，建議QKD在經過嚴格安全性測試並提高性價比之前，不提倡大規模應用，對於這種觀點我們如何理解呢？
答：這個白皮書是2016年發布的，我們知道，兩年多前的事情了。QKD作為新興技術，聽到不同的聲音很正常。其實，就在NCSC那份白皮書發布後一個多月，英國政府科學辦公室發布了另外一份報告《量子時代：技術機會》[x]，將量子通信列為英國量子技術的五大應用領域之一，指出量子通信能夠保證高敏感信息傳送的安全，特別是英國工業和政府網路的安全，因此需要充分探索和使用QKD技術；還明確建議NCSC應該支持QKD在現實環境中使用真實數據開展試點試驗。在美國，美國空軍科學顧問委員會（SAB）2016年也發布了和NCSC類似結論的調研報告；然而大約1年後，美國的美中經濟和安全審查委員會發布的研究報告在參考了SAB報告的結論之後仍然認為，如果得到足夠的部署，QKD會提升信息安全保護能力[xi]。
《量子時代：技術機會》
NCSC在2016年的那份白皮書關於要充分進行安全性論證、制定標準以及提高性價比等觀點我們是贊成的。其實，我們在中國的實踐就是這麼做的，我們開展安全測評和標準化等工作遠早於英國同行。近年來，全世界嚴肅從事量子通信的同行也都開始這麼做了。
我們可以看到，這兩年來量子通信領域的發展得到了加強和重視，英國和歐洲的一系列計劃穩步推進。國際上QKD技術領域持續取得進展，在實際安全性、效費比等各個方面大大提高了QKD技術的實用水平。2017年，國際標準化組織ISO首先開展了QKD測評的標準化。今年，國際電聯ITU也跟進了QKD標準化工作。如果進展順利，那麼商用QKD的國際標準兩三年就可以建立。2018年6月，歐洲電信標準化協會（ETSI）牽頭，聯合來自英國、美國、日本及歐洲各國的量子通信領域的知名專家，共同發布了最新的白皮書《量子密碼的實施安全-介紹、挑戰和解決方案》[xii]，對影響QKD系統安全的各個方面進行了系統分析，並給出了避免相應攻擊的對策；同時，ETSI對NCSC2016年的白皮書也做了回應。目前，我國的QKD設備、器件等的安全評測和行業標準化工作正在國家密碼行業標準化技術委員會、全國通信標準化技術委員會及全國信息安全標準化技術委員會等機構的組織下有序展開，相關成果正在陸續發布中。另一方面，QKD新方案的提出也在減少QKD實際系統的安全漏洞，拓展QKD的應用範圍。例如，測量設備無關QKD協議的提出已經從根本上解決了和探測系統相關的所有安全性疑慮[xiii]，並且增強了基於不可信中繼實現安全QKD網路的覆蓋能力[xiv]。在性價比方面，前面提到QKD關鍵器件的晶元化國內外已經取得了很多成果，為集成化、小型化、低成本化開創了局面。
ETSI最新白皮書
所有的新技術發展都是在不斷優化提升中走向成熟和應用的。客觀地指出QKD技術在當前需要解決的問題，都可以為推動QKD技術的發展提供有益的幫助。
4、問：聽您說了那麼多，一直都沒有提到美國，它作為世界頭號科技創新強國，在量子通信方面進展怎樣？
答：美國實際上也是非常重視量子通信的，特別是9月份，新美國安全中心（由前五角大樓官員組成的華盛頓特區智庫）發布報告《量子霸權？——中國的野心及其對美國創新領導地位的挑戰》，指出「美國必須利用自身在創新方面的已有優勢，加強投入，降低在量子科學領域遭遇技術突襲的風險」，並且報告的作者在接受CNN採訪時表示，美國在近代史上首次面臨被另一個國家所擁有技術超越的危險[xv]。雖然我們國家量子通信走在他們前面，但在量子計算、量子精密測量等領域，實際上美國的實力非常強。
新美國安全中心報告
目前，美國正在加速推進國家量子計劃法案（National Quantum Initiative Act）的立法進程。2017年，美國國會科學空間和技術委員會主辦了一場關於美國國會科學空間和技術的聽證會，會上國家光子學會呼籲發起「國家量子計劃」（National Quantum Initiative，NQI），主要目標之一就是解決科研界與產業工程界之間的不協調，這一計劃得到了美國國家標準與技術研究院（NIST）、美國國家科學基金會（NSF）、美國能源部（DOE）等國家相關部門的高層支持[xvi]。今年6月份，美國眾議院科學、太空和技術委員會主席在美國國會眾議院正式提出國家量子計劃法案（National Quantum Initiative Act），目前已在9月13日以口頭表決方式獲得通過。此前，該法案在7月份得到了哈佛大學、耶魯大學、斯坦福大學等學術界機構和IBM、Google、Intel等產業界單位的積極響應和支持。
美國家科學技術委員會量子信息科學小組第一次會議
國家量子計劃法案提出實施10年「國家量子行動計劃」，主要聚焦量子通信、量子計算機和超精密量子感測器三大領域，計劃成立國家量子協調辦公室、量子信息科學小組委員會和國家量子計劃諮詢委員會等相關工作組，並授權美國能源部（DOE）、美國國家標準與技術研究院（NIST）和美國國家科學基金會（NSF）進行量子研究，計劃2019-2023年投入12.75億美元（約合人民幣84.45億元），以加速美國的量子科學發展[xvii]。
在量子網路建設方面，2016 年7 月，由美國總統主持的國家科學技術委員會發布的戰略報告透露：美國國防部陸軍研究實驗室（ARL）啟動了為期5年的多站點、多節點的量子網路建設工作[xviii]。在民用方面，美國也成立了一家專門從事量子通信網路建設的公司Quantum Xchange[xix]，計劃利用成熟的量子密鑰分發（QKD）方法和專有的可信節點技術，在美國開展量子通信網路建設，並為政府機構和企業提供量子安全加密解決方案。目前，該公司已與美國光纖網路巨頭Zayo合作，建設沿東海岸的連接華盛頓特區和波士頓的總長約800公里的美國首個州際、商用量子密鑰分發網路，並計劃在年底前提供商業服務[xx]，目標是將華爾街的金融市場和新澤西州的後台業務連接起來，幫助銀行實現高價值交易和關鍵任務數據的安全[xxi]，並計劃將服務範圍拓展至健康醫療和關鍵基礎設施領域。
美國首個州際、商用量子密鑰分發（QKD）網路
5、問：我們聽說歐盟2016年發布了量子宣言，也啟動了相關的量子計劃，您能簡單介紹一下計劃的進展嗎？
答：歐洲是量子研發和工程的重地，前面也提到一些具體國家量子通信工程建設的情況，這裡再補充一些歐盟的總體進展情況。2016年5月歐盟委員會正式發布了量子宣言，啟動了總投資10億歐元的量子技術旗艦計劃，主要目標之一是計劃10年左右建成量子互聯網[xxii]，並且根據量子技術旗艦計劃的終期報告[xxiii]，建設的推進計劃也十分明確，具體是3年左右建設低成本量子城域網並建立量子通信設備和系統的認證及標準，6年左右利用可信中繼、高空平台或衛星實現城際量子保密通信網路建設，10年左右建成量子互聯網。
2018年5月7日，量子技術旗艦計劃項下的「量子協調和支持行動工作組（QSA）」向歐盟委員會提交了工作報告《Supporting Quantum Technologies beyond H2020》[xxiv]。報告指出：在量子通信基礎設施方面，要建立基於光纖的城市量子密鑰分發網路、城域骨幹網路，以及用於偏遠地區的衛星或高空平台（HAP），目標是為全球量子網路奠定基礎。按照計劃，5年內將發射一顆低地球軌道（LEO）衛星，與地面站連接建立量子安全網路。預計未來10年，地面量子通信總投入在3.5億歐元左右，天基量子通信總投入約為11億歐元。
6、問：從國內外進展情況來看，我國在量子通信工程方面處於世界前列，請談談我國在量子通信工程建設方面積累的經驗，和對下一步工作的建議？
答：應該說，京滬幹線的建設帶動了整個產業鏈的發展，特別是在核心元器件國產化和相關標準制定方面。目前，單光子探測核心晶元已經國產化，這裡要特別提一下的是美國實際上對中國發展量子密鑰分發技術一直是提防的，在2017年8月15日更新的針對信息安全類商品的出口管制清單中，明確將「專門設計（或改造）以用於實現或使用量子密碼（也稱量子密鑰分發QKD）」的商品列入，正式限制向中國政府類用戶出口量子密鑰分發相關商品或軟體[xxv]；在2017年12月27日更新的針對「許可證例外」的說明中[xxvi]，量子密碼類商品或軟體只對中國非政府類用戶可以適用「許可證例外」，即如果向中國政府類用戶出口量子密碼類商品或軟體，必須取得美國官方的許可證，在這種背景下，國產化工作就顯得特別有意義。
近年來，量子信息技術，特別是當前率先實用化的量子保密通信技術（或稱QKD）正在蓬勃發展，從技術研發、網路部署到行業應用，都取得了長足的進步，但要進一步實現QKD從實用化到產業化規模應用，還面臨著不少挑戰。標準化是關鍵一步，是未來產業成熟發展的基石。量子通信作為跨領域的系統工程，它的標準化從無到有，具有相當的難度和挑戰。目前，我國正全力推進QKD標準化相關工作，特別是2017年6月量子通信與信息技術特設組（ST7）在工信部中國通信標準化協會（CCSA）發起成立，已有44家會員單位，正在圍繞量子保密通信標準體系的術語、應用場景、網路架構、技術要求、測試方法、應用介面等內容編製有關國家標準和行業標準，其中中國信通院牽頭的QKD測試方法研究已經發布。另外，我國專家也已經於去年11月在ISO/IEC國際標準化組織啟動了QKD的全球首個國際標準項目「Security requirements, test and evaluation methods for quantum key distribution」，正式開啟了QKD的國際標準化進程。這些工作都為下一步發展量子通信產業奠定了基礎。
7、問：謝謝接受我們的採訪，通過這次訪問我們也更加了解了目前國際國內在量子通信技術工程化、實用化和產業化方面的最新進展，我們由衷地為我國在這一尖端技術領域取得的成果感到驕傲。
答：我們也很高興與你們聊了這麼多，回答過程也是一個梳理過程，很有感觸，也很受啟發。實際上，與任何一項新技術的發展一樣，量子通信技術的應用和發展也需要實驗床和應用示範。京滬幹線建設以來，不僅在金融、電力等行業成功開展了應用示範，而且有更多的行業要求接入和試用。對於工程化和實用化，我們一直秉持這樣的觀點，一方面要謹慎論證，另一方面也要積極部署，因為有應用才有進步、有做才有未來，就如電報一樣，通過大規模的建設，特別是跨洋海纜的建設，促進了電報的應用和普及，也為現代電信產業的發展打下了堅實基礎。同理，正是幾十年來大規模的海底光纜、地面光纖網路、移動基站的建設，我們如今才能便捷地使用互聯網。
參考文獻：
[i]https://docbox.etsi.org/Workshop/2016/201609_QUANTUMSAFECRYPTO/TECHNICAL_TRACK/INRIM_Calonico.pdf.
[ii]QCommHub_Annual-Report-2014-15, https://www.quantumcommshub.net/wp-content/src/QCommHub_Annual-Report-2014-15.pdf.
[iii]https://www.btplc.com/news/#/pressreleases/bt-and-partners-take-quantum-leap-towards-ultra-secure-future-networks-2538664.
[v]https://www.quantumcommshub.net/wp-content/src/QCommHub_Annual-Report-2014-15.pdf.
[vi]Nicolas Gisin and Hugo Zbinden, Quantum InformationProcessing,https://docbox.etsi.org/workshop/2014/201410_crypto/s01_setting_the_scene/s01_gisin.pdf.
[vii]SKTelecom-led Consortium Completes Roll-out of National Test Networks for QuantumCryptography Communication,https://www.businesswire.com/news/home/20160304005490/en/SK-Telecom-led-Consortium-Completes-Roll-out-National-Test.
[viii]//intl.ce.cn/specials/zxgjzh/201608/10/t20160810_14723189.shtml.
[ix]https://www.idquantique.com/id-quantique-sk-telecom-join-forces.
[x]https://assets.publishing.service.gov.uk/government/uploads/system/uploads/attachment_data/file/564946/gs-16-18-quantum-technologies-report.pdf
[xi]https://www.uscc.gov/sites/default/files/John%20Costello_Written%20Testimony_Final2.pdf
[xii]https://www.etsi.org/images/files/ETSIWhitePapers/etsi_wp27_qkd_imp_sec_FINAL.pdf
[xiii]Lo et al., Phys. Rev. Lett. 108, 130503 (2012)
[xiv]Tang et al., Phys. Rev. X 6, 011024 (2016)
[xv]https://money.cnn.com/2018/09/14/technology/quantum-computing-china/index.html
[xvi]https://www.lightourfuture.org/getattachment/7ad9e04f-4d21-4d98-bd28-e1239977e262/NPI-Recommendations-to-HSC-for-National-Quantum-Initiative-062217.pdf.
[xvii]https://www.congress.gov/bill/115th-congress/house-bill/6227/text
[xviii]https://www.whitehouse.gov/sites/whitehouse.gov/files/images/Quantum_Info_Sci_Report_2016_07_22%20final.pdf.
[xix]https://quantumxc.com/
[xx]https://techcrunch.com/2018/10/25/new-plans-aim-to-deploy-the-first-u-s-quantum-network-from-boston-to-washington-dc/
[xxi]https://www.idquantique.com/idq-announce-partnership-quantum-xchange/
[xxii]Quantum Manifesto, http://qurope.eu/manifesto.
[xxiii]https://ec.europa.eu/digital-single-market/en/news/quantum-flagship-high-level-expert-group-publishes-final-report.
[xxiv]https://qt.eu/app/uploads/2018/05/Supporting-QT-beyond-H2020_v1.1.pdf
[xxv]https://www.bis.doc.gov/index.php/documents/regulations-docs/federal-register-notices/federal-register-2014/951-ccl5-pt2/file
[xxvi]https://www.bis.doc.gov/index.php/documents/regulation-docs/415-part-740-license-exceptions/file
背景簡介：原文2018年11月4日發表於微信公眾號墨子沙龍（https://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzI2NDIzMjYyMA==&mid=2247489430&idx=1&sn=e0a4c0d9125da1e01d625cc4d0f19c85），本文為修改版。風雲之聲獲授權轉載。
責任編輯：孫遠
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