美國正式打造出第一個量子互聯(lián)網(wǎng)的第一站

在曼哈頓市中心與新澤西之間的荷蘭隧道穿行的通勤者們并不知道，就在他們的車窗外，全長8,558英尺（約2600米）的隧道中，一種可能代表未來的通信技術(shù)正在進行測試。

任何一家稍微說的過去的情報機構(gòu)都可以對普通的光纜中的信息進行攔截和竊聽：只要將其彎曲，而后用專門的硬件來將其中的光信號轉(zhuǎn)換為電信號。而使用這條線進行通訊的人則完全無法知道有人正在實行竊聽，因為雙方的通信并未因此有一絲的延遲。

但QKD，也就是人們常說的量子密鑰分發(fā)技術(shù)，借由量子物理之力解決了這個問題。在每條光纜的終端加裝QKD系統(tǒng)，從外表看起來很可能就和數(shù)據(jù)中心常見的黑匣子一般，然后通過激光將僅比單個光子稍微大一些的光信號以弱脈沖的方式發(fā)射。在這種情況下，如果光纖中任何脈沖的路徑被中斷，使信號未以預期的時間（納秒級）到達端點，雙方將會立即知曉此條通信已經(jīng)被泄露。

承接這項工程的正是此前宣布打造美國第一個量子互聯(lián)網(wǎng)的Quantum Xchange公司，這條沿著美國東海岸彎延的全長500英里（約805 km）州際QKD網(wǎng)絡，將保證商業(yè)企業(yè)和政府機構(gòu)能夠無視距離并且絕對安全地傳輸數(shù)據(jù)，為現(xiàn)在和未來重要數(shù)字資產(chǎn)的安全提供終極防御。

而在荷蘭隧道中的這條“量子光纜”則是他們高安全性美國量子互聯(lián)網(wǎng)的第一站，作為一個商業(yè)公司，Quantum Xchange選擇的首要目標是將911之后的華爾街金融系統(tǒng)重新打通。Quantum Xchange表示（目前）高端投資者是他們第一目標市場，但他們希望能借此將系統(tǒng)盡快地拓展到其他行業(yè)，從醫(yī)療保健到關(guān)鍵基礎設施都能使用更加安全地通信。

“金融公司認為這是一個微分器（意為穩(wěn)定可靠、抗干擾），”Quantum Xchange首席執(zhí)行官John Prisco說幾家大型金融機構(gòu)正在測試他們的量子光纖管道，并考慮使用QKD技術(shù)來保護他們最敏感的數(shù)據(jù)信息，包括交易算法和客戶結(jié)算，但他在接受彭博社的采訪時（受保密協(xié)議約束）拒絕透漏更多信息。

Quantum Xchange的目標是將光纜從波士頓一直延伸到華盛頓特區(qū)，推廣到政府機構(gòu)，Prisco此前也曾表示，“屆時，在波士頓的公司將能夠向華盛頓特區(qū)甚至更遠的的合作伙伴進行真正的安全通信。我們的目標是繼續(xù)購買Zayo（美國托管和網(wǎng)絡提供商，提供暗光纖服務）部署于全國的暗光纖，這樣我們就可以部署一個為整個國家服務的量子安全網(wǎng)絡，我們相信，在量子計算機前所未有的力量成為攻擊性武器之前建立QKD防御戰(zhàn)略至關(guān)重要。同Zayo公司的合作，標志著量子密鑰交換在商業(yè)環(huán)境中首次在美國境內(nèi)完成，這是我們‘點亮’全國的暗光纖量子網(wǎng)絡的第一步?！倍F(xiàn)在他們確實地邁出了這第一步。

QKD網(wǎng)絡以經(jīng)典比特方式發(fā)送編碼后的信息，而解碼它的密鑰則以量子比特的形式發(fā)送。這些數(shù)據(jù)包通過光子經(jīng)由光纖電纜傳輸。這項技術(shù)的關(guān)鍵在于，任何窺探量子比特的嘗試都會立即摧毀其脆弱的量子態(tài)，消除其所攜帶的所有數(shù)據(jù)，這基本上意味著QKD技術(shù)目前無法破解（這僅僅意味著理論上unhackable，但是并不代表物理上unbreakble）。

當然，除了成碼率、誤碼率、工程問題外，QKD技術(shù)現(xiàn)在以及今后必須面對的一個問題是距離限制。目前，地面QKD傳輸?shù)挠行嶒炇覕?shù)據(jù)是由東芝歐洲研究院的劍橋研究實驗室創(chuàng)下的421 km（如果按照東芝的Twin-Field QKD協(xié)議，則最遠距離將突破500 km）。然而，對于真實條件下的高速傳輸，記錄僅為約97 km（短距密鑰高速傳輸亦只有1 Mbps左右的速度，同樣如果以東芝的協(xié)議為方案將突破10 Mbps，但傳輸距離僅有不到7 km；一般來說在超過百余公里后，速度將衰減為十幾 kbps）。

因此為了解決這個問題，包括Quantum Xchange在內(nèi)的大多數(shù)公司都選擇增加可信中繼節(jié)點的方式。（另一種中繼方式為量子中繼，即利用量子態(tài)的存儲、轉(zhuǎn)發(fā)實現(xiàn)量子糾纏的遠距離分發(fā)，無需保證中繼節(jié)點可信，但仍處于理論研究階段，實用化仍有距離，目前國內(nèi)中科大、清華大學均有涉及。）

中國的量子干線是一個典型的例子，從各省市的QKD實驗網(wǎng)、城域網(wǎng)，到總長超過2000 km仍在不斷完善、延伸的京滬干線，采用的均是可信中繼方案進行密鑰中繼，除了類似合肥、武漢、廣州等骨干節(jié)點外，每條專線、每個城域網(wǎng)都建有大量的中繼節(jié)點，以保證密鑰傳輸速率以及安全性。（但在這些中繼節(jié)點中，密鑰的生成和存儲不再受量子特性的保護，因此極易受到黑客以及物理形式攻擊的威脅，前NSA網(wǎng)絡安全專家Anthony Lawrence曾表示，中國使用武裝警衛(wèi)來保護他們量子干線上的中繼節(jié)點，當然事實上，除了某些特殊地點外，實際普遍采用的是異或中繼技術(shù)以及端到端的密鑰共享方案來保證中繼節(jié)點的安全性。

從某種角度上來看，我國采用這種廣而全的“大尺度”方式推進試點和網(wǎng)建，也是為了彌補因為政策和科研機構(gòu)主導而帶來的驅(qū)動力不足的影響，以探索的方式推進城市內(nèi)部的拓展應用，可以合理地在實踐中保證產(chǎn)業(yè)鏈、研發(fā)、應用以及標準化工作的持續(xù)發(fā)展和進步。

目前，除了我國外，美國、奧地利（歐盟）、西班牙、日本都在早期便建立了自己的QKD實驗網(wǎng)，而隨著理論與技術(shù)的成熟，2013年（京滬干線計劃正式立項）之后，全球大規(guī)模量子保密通信網(wǎng)絡開始迅速增長，美國、英國、歐盟、意大利、韓國等國均啟動各自的國家量子骨干網(wǎng)絡建設計劃。

值得一提的是早在“十二五”規(guī)劃中，我國便將量子通信與量子計算作為重點發(fā)展的戰(zhàn)略領域方向進行系統(tǒng)布局。并在“空間科學”戰(zhàn)略性先導科技專項中，部署實施“量子科學衛(wèi)星計劃”，開展星—地量子通信技術(shù)研究（這一系列研究的展開和立項得益于2005年潘建偉團隊實現(xiàn)的13公里自由空間量子糾纏和密鑰分發(fā)實驗證明了星地量子通信的可能性），最終得以在2017年實現(xiàn)1200公里自由空間量子密鑰分發(fā)，并成功打造了“墨子號”量子衛(wèi)星和“京滬干線”相結(jié)合的天地一體化廣域量子通信網(wǎng)絡雛形。

在國際上收獲巨大聲譽的同時，我國的量子保密通信同時也遭受到了巨大的質(zhì)疑，主要原因在于重大科技產(chǎn)業(yè)普遍面臨著（產(chǎn)業(yè)、教育）成本過高、用戶群體高端化等難題。

另一方面的問題則是，盡管：

得益于"京滬干線"、沿線城域網(wǎng)以及各地政企專網(wǎng)，我國已經(jīng)具備了為多行業(yè)、多領域提供量子保密應用服務的能力。

在金融領域，早在2011年，中科大就與新華社開展了量子通信在金融信息安全方面的應用研究，并于同年完成了全球首個“金融信息量子保密通信技術(shù)驗證專線”；而在京滬干線建設初期階段便已嘗試與銀行系統(tǒng)、檔案、數(shù)據(jù)庫接入，通過與銀監(jiān)會合作率先與10多家銀行以及其他金融機構(gòu)開展了數(shù)據(jù)中心異地災備、企業(yè)網(wǎng)銀實時轉(zhuǎn)賬等應用試驗，特別是與中國人民銀行合作打造的以"人民幣跨境收付信息管理系統(tǒng)RCPMIS" 為核心的量子保密通信應用，首批即有14家單位參與其中，并欲以量子干線為基礎向全國推廣；

在云服務領域，與阿里云合作，融合量子和云技術(shù)，在云上實現(xiàn)了網(wǎng)商銀行商業(yè)數(shù)據(jù)的加密傳輸；

在電力領域，通過與國家電網(wǎng)合作，實現(xiàn)了電力領域重要業(yè)務數(shù)據(jù)信息利用量子保密通信技術(shù)在京滬兩地災備中心之間的加密傳輸，并復用京滬干線沿線量子城域網(wǎng)開展基于量子保密通信技術(shù)的內(nèi)部辦公和對外業(yè)務的安全防護；

在行業(yè)應用領域，最高人民法院與安徽省高院之間正在開展量子視頻試點業(yè)務。

此外，武警、檢察院以及醫(yī)療大數(shù)據(jù)領域的應用示范正在逐步推進。

我們?nèi)匀蝗鄙龠m合推廣的商業(yè)模式以及殺手級應用。

在全國政協(xié)十三屆二次會議舉行的記者會上，全國政協(xié)委員、中國科學技術(shù)大學常務副校長、中科院院士潘建偉表示，“我國目前在量子信息領域有一定的國際競爭力，甚至在部分方向上還處于國際領先地位，但也不能太樂觀，有些優(yōu)勢受到歐美發(fā)達國家的強烈沖擊。跟傳統(tǒng)的國際科技強國相比，我國以往的科研組織模式以短期的科研項目為主，所以在滿足國家戰(zhàn)略緊迫需求，以及在科技資源的整合力度和支持強度上還是有所不足，企業(yè)對于前沿科技的投入熱情，與發(fā)達國家相比有一定的差距?！?/p>

“中國要做好科技創(chuàng)新，需要黨和國家高瞻遠矚，進行整體性布局。”并表示量子信息科學，已經(jīng)進入到一個深化和快速發(fā)展的階段，特別需要多學科的交叉融合和各項關(guān)鍵技術(shù)的攻關(guān)，希望國家在這一領域部署重大科技項目，構(gòu)建國家實驗室。

考慮到國情和現(xiàn)實，自上而下的統(tǒng)籌部署和實施似乎是這個領域最合理的方案。隨著2016年“十三五規(guī)劃”中“2030量子通信與量子計算機重大專項”的釋出，以及伴隨中國經(jīng)濟結(jié)構(gòu)調(diào)整而出現(xiàn)的產(chǎn)業(yè)遷移、轉(zhuǎn)型而帶來的中部區(qū)域崛起，尤其是新興工業(yè)和中高端制造業(yè)，政策方面特別是科研教育人才政策的資源稟賦越發(fā)顯著，合肥、濟南、重慶等地都圍繞轉(zhuǎn)型和創(chuàng)新先后投入重金塑造自己的產(chǎn)業(yè)集群和產(chǎn)業(yè)品牌——“量子谷”。

無論是環(huán)節(jié)還是平臺規(guī)劃的如何合理，最終，轉(zhuǎn)化永遠是科技產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新的關(guān)鍵。

我們可以確定地說，量子密鑰分配是目前量子信息技術(shù)最具現(xiàn)實意義和可行性的商業(yè)應用。盡管如此，我國的量子通信商業(yè)化之路仍充滿坎坷，即使是在上文所說的金融、政務領域，還是更加隱秘軍事方面的都摸索出了獨特的道路，但產(chǎn)業(yè)鏈下游的應用和環(huán)境仍然以政府牽頭為主，簡單說就是“資本靠政策，市場看市長”，而相關(guān)產(chǎn)業(yè)和商業(yè)模式仍很稚嫩甚至脆弱，從各個商業(yè)公司包括國科、國盾、問天等在內(nèi)公布的信息來看，受制于目前研究階段、市場主體發(fā)育不健全、關(guān)鍵型項目（品牌）缺乏等因素，相關(guān)項目仍較為單一。

同時，量子通信仍處于被廣泛應用前的階段，需要大量的科普工作，大眾、市場心存疑慮是必然，也是必須的，任何沒能通過考驗的項目。但我們同樣必須清楚的是量子通信領域的研究和發(fā)展也是必須的，因為科技永遠向前。

而我們未能看到真正大規(guī)模QKD商業(yè)部署的另一個可能被忽視的原因是QKD技術(shù)與當前的網(wǎng)絡架構(gòu)并不兼容，當然這個并不是我們今天的課題，我們可能會留到未來的某一期與通信網(wǎng)旗下的另一個公號“光通信觀察”聯(lián)動展開。