量子通信發(fā)展環(huán)境及應(yīng)用分析

專業(yè)經(jīng)濟(jì)研究智庫(kù)權(quán)威行業(yè)研究報(bào)告-PAGE1-2015年12月11日，歐洲物理學(xué)會(huì)新聞網(wǎng)站“物理世界”公布了2015年度國(guó)際物理學(xué)領(lǐng)域的十項(xiàng)重大突破，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授潘建偉、陸朝陽(yáng)等完成的科研成果“多自由度量子隱形傳態(tài)”入選并名列榜首。讓“量子通信”這個(gè)概念引爆A股市場(chǎng)，也讓“量子通信”這個(gè)鮮為人知的概念進(jìn)入大家的視野。就量子通信其重要性而言，在于它絕對(duì)安全的特性，在全球各地高度重視信息安全的今天，誰(shuí)掌握了量子通信技術(shù)，可以說(shuō)掌握了信息時(shí)代最重要的技術(shù)之一。本報(bào)告從量子通信的基本介紹、發(fā)展環(huán)境、發(fā)展現(xiàn)狀、發(fā)展應(yīng)用和前景趨勢(shì)五個(gè)方面進(jìn)行解讀，分析中國(guó)量子通信的發(fā)展機(jī)遇和挑戰(zhàn)，對(duì)量子通信發(fā)展態(tài)勢(shì)進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹。一、量子通信基本介紹（一）量子信息的應(yīng)用量子信息學(xué)是量子理論的重要應(yīng)用之一。在量子信息學(xué)中，信息由量子態(tài)進(jìn)行表征，在量子信道中傳輸量子態(tài)，信息處理則是量子態(tài)的受控演化，最后信息的提取則需通過(guò)對(duì)量子系統(tǒng)執(zhí)行量子測(cè)量。其中，最主要的應(yīng)用是在量子通信和量子計(jì)算領(lǐng)域。1、量子計(jì)算計(jì)算過(guò)程的物理實(shí)現(xiàn)，可以歸結(jié)為一個(gè)被編碼的物理系統(tǒng)的受控演化。在電子計(jì)算機(jī)時(shí)代，即是通過(guò)對(duì)電平信號(hào)編碼信息，利用程序和電子元器件進(jìn)行系統(tǒng)的演算控制。隨著電子元器件的尺寸的不斷縮小，以及計(jì)算復(fù)雜度的日益增加，量子計(jì)算被看做下一代計(jì)算機(jī)的發(fā)展方向。圖表量子信息計(jì)算的研究領(lǐng)域資料來(lái)源：產(chǎn)研智庫(kù)2011年，全球首臺(tái)商用量子計(jì)算機(jī)D-Wave1誕生。它采用了128個(gè)超導(dǎo)量子比特組成的量子處理器。目前商用的D-Wave2X?號(hào)稱是世界上目前最強(qiáng)的量子計(jì)算機(jī)。2015年谷歌、美國(guó)宇航局（NASA）和美國(guó)大學(xué)太空研究協(xié)會(huì)已經(jīng)與量子計(jì)算機(jī)開發(fā)商D-Wave簽訂為期7年的商業(yè)協(xié)議，以獲得后者開發(fā)的最新量子處理器。2、量子通信完整的量子通信系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)以通信編碼理論為基礎(chǔ)，以特定的量子通信協(xié)議為核心，通過(guò)實(shí)現(xiàn)量子信號(hào)的產(chǎn)生、調(diào)制和探測(cè)等關(guān)鍵技術(shù)，最終能實(shí)現(xiàn)信息的傳送。隨著通信網(wǎng)絡(luò)理論的發(fā)展以及量子中繼技術(shù)的突破，量子通信網(wǎng)絡(luò)將有望從局域網(wǎng)走向更大規(guī)模的廣域網(wǎng)絡(luò)，乃至全球規(guī)模。圖表量子信息傳輸?shù)难芯款I(lǐng)域資料來(lái)源：產(chǎn)研智庫(kù)量子通信的數(shù)學(xué)理論基礎(chǔ)是量子信息論，是量子力學(xué)與信息論結(jié)合的產(chǎn)物。其中，首要問(wèn)題是如何度量用量子態(tài)表征的信息及量子信息中特有的資源（如量子糾纏）；其次，如何最優(yōu)的利用給定的量子通信資源進(jìn)行通信，這涉及量子資源的表示、壓縮以及量子信道容量的計(jì)算?？傮w來(lái)看，還有很多待解決的公開問(wèn)題，目前仍是研究熱點(diǎn)。（二）量子通信系統(tǒng)組成量子通信是指利用量子糾纏效應(yīng)進(jìn)行信息傳遞的新型通訊方式，是量子論和信息論相結(jié)合的成果。量子通信具有絕對(duì)安全和高效率等特點(diǎn)，給信息安全帶來(lái)了革命式的發(fā)展，是目前國(guó)際量子物理和信息科學(xué)的主要研究方向，主要涉及的領(lǐng)域包括：量子遠(yuǎn)程傳態(tài)、量子密碼通信等。目前應(yīng)用發(fā)展相對(duì)成熟的為量子密碼通信。量子通信系統(tǒng)的簡(jiǎn)化模型包括量子信源，量子信道和量子信宿三個(gè)主要部分。量子信源產(chǎn)生消息并發(fā)送出去；量子調(diào)制將原始消息轉(zhuǎn)換成量子態(tài)形式，產(chǎn)生量子信號(hào)；量子信宿是消息的接收者，量子解調(diào)將量子態(tài)的消息恢復(fù)成原始消息；其余都屬于量子信道范疇。另外通常還有輔助信道，是指除了傳輸信道以外的附加信道，如經(jīng)典信道，主要用于密鑰協(xié)商等。圖表量子通信系統(tǒng)的組成資料來(lái)源：產(chǎn)研智庫(kù)量子通信系統(tǒng)的主要設(shè)備包含：通信網(wǎng)絡(luò)主設(shè)備（含核心器件)、終端設(shè)備，還包括配套的科學(xué)儀器以及系統(tǒng)性的管控和應(yīng)用軟件等。（三）量子通信的主要形式量子通信的主要形式包括基于量子密鑰分發(fā)（QuantumKeyDistribution）的量子保密通信、量子密集編碼（QuantumDenseCoding）和量子隱形傳態(tài)（QuantumTeleportation）等。另一方面，量子通信傳輸?shù)男畔⒖梢苑譃閮深悾航?jīng)典信息和量子信息。量子密鑰傳輸?shù)闹饕瞧渌畔?，量子密集編碼和量子隱形傳態(tài)中主要是量子信息。圖表量子通信主要形式資料來(lái)源：產(chǎn)研智庫(kù)（四）量子通信的發(fā)展優(yōu)勢(shì)1、具有極高的安全性和保密性。根據(jù)量子不可克隆定理，量子信息一經(jīng)檢測(cè)就會(huì)產(chǎn)生不可還原的改變，如果量子信息在傳輸中途被竊取，接收者必定能發(fā)現(xiàn)；量子通信沒(méi)有電磁輻射，第三方無(wú)法進(jìn)行無(wú)線監(jiān)聽或探測(cè)；2、時(shí)效性高、傳輸速度快。量子通信的線路時(shí)延近乎為零，量子信道的信息效率相對(duì)于經(jīng)典信道量子的信息效率高幾十倍，并且量子信息傳遞的過(guò)程沒(méi)有障礙，傳輸速度快；3、抗干擾性能強(qiáng)，量子通信中的信息傳輸與通信雙方之間的傳播媒介無(wú)關(guān)，不受空間環(huán)境的影響，具有完好的抗干擾性能，同等條件下，獲得可靠通信所需的信噪比比傳統(tǒng)通信手段低30～40dB；4、傳輸能力強(qiáng)，量子通信與傳播媒介無(wú)關(guān)，傳輸不會(huì)被任何障礙阻隔，量子通信的其中一種方式——隱形傳態(tài)，還能穿越大氣層，既可在太空中通信，又可在海底通信，還可在光纖等介質(zhì)中通信。二、中國(guó)量子通信發(fā)展環(huán)境（一）國(guó)家政策大力扶持量子通信發(fā)展我國(guó)從2001年開始，在科技部“973”計(jì)劃、“863”計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目、中科院知識(shí)創(chuàng)新工程重大項(xiàng)目以及“十二五”專項(xiàng)規(guī)劃前瞻性支持下，量子通信試驗(yàn)驗(yàn)證獲得重要進(jìn)展。國(guó)家十三五規(guī)劃建議中要求部署一批體現(xiàn)國(guó)家戰(zhàn)略意圖的重大科技項(xiàng)目，量子通信首當(dāng)其沖。在我國(guó)大力支持高科技戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展的現(xiàn)階段，以量子信息技術(shù)為代表的高尖端領(lǐng)域或許已經(jīng)迎來(lái)最好的發(fā)展時(shí)期，未來(lái)政府加大投入和扶持力度是大概率事件。同時(shí)國(guó)家層面對(duì)于信息安全空前的重視程度，都促使量子信息成為具有頂層戰(zhàn)略意義的重要領(lǐng)域和發(fā)展方向?？萍疾?016年2月16日信息安全上升到國(guó)家戰(zhàn)略地位，世界各國(guó)也越來(lái)越重視信息安全產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，紛紛出臺(tái)相關(guān)信息安全政策，因此加大了對(duì)量子通信的政策扶持。（二）信息安全威脅越來(lái)越嚴(yán)重，量子通信行業(yè)聯(lián)盟成立全球網(wǎng)絡(luò)安全威脅仍呈現(xiàn)爆發(fā)性增長(zhǎng)的態(tài)勢(shì)，各類網(wǎng)絡(luò)攻擊和網(wǎng)絡(luò)犯罪的現(xiàn)象屢有發(fā)生，并且呈現(xiàn)攻擊手段多樣化、工具專業(yè)化、目的商業(yè)化、行為組織化等特點(diǎn)。2015年中國(guó)重要的泄露事件，主要有：機(jī)鋒用戶數(shù)據(jù)泄露、酒店開房記錄泄露、?？低暠O(jiān)控設(shè)備被境外控制、超30省過(guò)5000萬(wàn)社保信息泄露、人壽10萬(wàn)保單信息泄露、考生信息泄露、大麥網(wǎng)600萬(wàn)用戶信息泄露、蘋果xcode開發(fā)工具大范圍感染APP應(yīng)用、網(wǎng)易郵箱過(guò)億用戶敏感遭泄露、偉易達(dá)集團(tuán)500萬(wàn)個(gè)家長(zhǎng)和超過(guò)20萬(wàn)個(gè)小童的數(shù)據(jù)資料泄露、申通快遞13個(gè)信息漏洞，越3萬(wàn)信息被竊取等等。當(dāng)前移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)成為全球發(fā)展最快、潛力最大的新興市場(chǎng)。在移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)給用戶帶來(lái)便捷服務(wù)的同時(shí)，也為惡意軟件的傳播提供了新的通道，使得用戶自身的重要敏感信息容易處于極不安全的環(huán)境之中。此外，由于智能終端的移動(dòng)性與通話、短信、話費(fèi)、移動(dòng)支付、用戶隱私等重要信息密切關(guān)聯(lián)，其蘊(yùn)含的巨大經(jīng)濟(jì)利益勢(shì)必將吸引大量黑客開發(fā)惡意程序，從而造就了趨利性明顯的特征。圖表信息安全受到威脅資料來(lái)源：產(chǎn)研智庫(kù)量子通信是信息安全研究重點(diǎn)方向，量子通信具有傳統(tǒng)通信方式所不具備的絕對(duì)安全特性，不但在國(guó)家安全、金融等信息安全領(lǐng)域有著重大的應(yīng)用價(jià)值和前景，而且逐漸走進(jìn)人們的日常生活。2015年12月19日中國(guó)量子通信產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟成立，由中國(guó)科學(xué)院國(guó)有資產(chǎn)經(jīng)營(yíng)有限責(zé)任公司（國(guó)科控股）牽頭，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)、科大國(guó)盾量子技術(shù)股份有限公司、阿里巴巴（中國(guó)）有限公司、中國(guó)鐵路網(wǎng)絡(luò)有限公司、中興通訊股份有限公司、北方信息技術(shù)研究所等單位組成。三、量子通信應(yīng)用分析量子通信在軍事、國(guó)防、金融等信息安全領(lǐng)域有著重大的應(yīng)用價(jià)值和前景，不僅可用于軍事、國(guó)防等領(lǐng)域的國(guó)家級(jí)保密通信，還可用于涉及秘密數(shù)據(jù)和票據(jù)的電信、證券、保險(xiǎn)、銀行、工商、地稅、財(cái)政以及企業(yè)云存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)中心等領(lǐng)域和部門，而技術(shù)又相對(duì)成熟，未來(lái)市場(chǎng)容量極大。圖表量子通信在信息安全方面的應(yīng)用機(jī)會(huì)資料來(lái)源：產(chǎn)研智庫(kù)2012年2月中國(guó)金融信息量子通信驗(yàn)證網(wǎng)開通，量子通信在金融信息安全領(lǐng)域應(yīng)用開端。該金融信息量子通信驗(yàn)證網(wǎng)由中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)、新華社聯(lián)合安徽量子通信技術(shù)有限公司、山東量子科學(xué)技術(shù)研究院有限公司共同建設(shè)。該項(xiàng)目首次在全球范圍內(nèi)利用量子通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以保障金融信息的傳輸安全，屬于量子通信技