作者簡(jiǎn)介
賴俊森，中國(guó)信息通訊研究院技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)研究所寬帶網(wǎng)路研究部中級(jí)工程師，博士，主要從事量子信息等相關(guān)新技術(shù)研究、標(biāo)準(zhǔn)制訂及測(cè)試驗(yàn)證等工作。
趙文玉，中國(guó)信息通訊研究院技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)研究所寬帶網(wǎng)路研究部部長(zhǎng)，博士，正中級(jí)工程師，主要從事超高速光通訊、光模塊元件和量子信息等相關(guān)新技術(shù)研究、標(biāo)準(zhǔn)制訂及測(cè)試驗(yàn)證等工作。
張海懿，中國(guó)信息通訊研究院技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)研究所副主任，正中級(jí)工程師，主要從事超高速光通訊、光模塊元件和量子信息等相關(guān)新技術(shù)研究、標(biāo)準(zhǔn)制訂及測(cè)試驗(yàn)證等工作。
論文引用格式
賴俊森，趙文玉，張海懿.量子保密通訊技術(shù)進(jìn)展及應(yīng)用趨勢(shì)剖析[J].信息通訊技術(shù)與新政,2020(12):64-69.
?基金項(xiàng)目:國(guó)家自然科學(xué)基金捐助項(xiàng)目（No.）、國(guó)家重點(diǎn)研制計(jì)劃項(xiàng)目（No.）捐助
量子保密通訊技術(shù)進(jìn)展及應(yīng)用趨勢(shì)剖析*
賴俊森趙文玉張海懿
（中國(guó)信息通訊研究院技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)研究所，沈陽(yáng)）
摘要：基于量子秘鑰分發(fā)的量子保密通訊已步入初步實(shí)用化階段，有望成為提高網(wǎng)路信息安全防護(hù)能力的可選方案之一。對(duì)基于量子秘鑰分發(fā)的量子保密通訊領(lǐng)域的最新研究和應(yīng)用進(jìn)展進(jìn)行綜述，集中呈現(xiàn)各方對(duì)量子秘鑰分發(fā)技術(shù)應(yīng)用的觀點(diǎn)和想法，并針對(duì)量子秘鑰分發(fā)技術(shù)在科研、工程和應(yīng)用三個(gè)不同層面的問(wèn)題提出相應(yīng)的剖析和建議，供業(yè)界參考。
關(guān)鍵詞：量子秘鑰分發(fā)；量子保密通訊；應(yīng)用剖析
1序言
量子通訊借助量子疊加態(tài)及糾纏效應(yīng)，在精典通訊輔助下，可以實(shí)現(xiàn)量子態(tài)信息傳輸或秘鑰分發(fā)，在理論合同層面具有難以被監(jiān)聽(tīng)的信息論安全性保證。量子通訊的應(yīng)用主要包括量子隱型傳態(tài)（，QT）、量子秘鑰分發(fā)（Key，QKD）、量子安全直接通訊（，QSDC）、量子秘密共享（，QSS）和量子密集編碼（Dense，QDC）等。從研究論文數(shù)目和專利申請(qǐng)情況進(jìn)行剖析，QKD和QT是目前量子通訊研究與應(yīng)用發(fā)展的重點(diǎn)方向，而基于QKD的量子保密通訊則是目前實(shí)用化的應(yīng)用方向。近些年來(lái)，量子秘鑰分發(fā)領(lǐng)域的科學(xué)研究持續(xù)保持活躍，應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)化進(jìn)一步探求，應(yīng)用觀點(diǎn)和意見(jiàn)仍未統(tǒng)一，成為業(yè)界關(guān)注的焦點(diǎn)之一。
媒體宣傳對(duì)量子通訊或存在一些誤會(huì)和過(guò)度剖析，容易引起何必要的爭(zhēng)議，不利于匯聚共識(shí)、形成合力，對(duì)此作幾點(diǎn)說(shuō)明：第一，QKD只是量子通訊的應(yīng)用之一，直接將兩者劃等號(hào)會(huì)以偏概全，并非恰當(dāng)敘述；第二，量子通訊的本質(zhì)是實(shí)現(xiàn)未知量子態(tài)（Qubit）的傳輸，與傳輸確定信息（Bit）的精典通訊面向不同應(yīng)用場(chǎng)景，更不存在取代關(guān)系；第三，量子通訊必須依靠精典通訊的輔助就能完成，如QKD中的合同后處理信息交互、QT中的貝爾態(tài)聯(lián)合檢測(cè)結(jié)果傳輸?shù)龋淮嬖谛畔⒊馑賯鬏數(shù)那闆r；第四，量子通訊中的QKD和QT等應(yīng)用有望為提高精典通訊的安全性或組網(wǎng)合同功能提供新型可選解決方案，但實(shí)用化和工程化等方面仍有眾多問(wèn)題須要進(jìn)一步探求、突破和解決。
2QKD科研保持活躍，取得一系列新成果
作為量子通訊領(lǐng)域目前步入初步實(shí)用化的應(yīng)用方向，QKD技術(shù)在國(guó)外外相關(guān)科研團(tuán)隊(duì)的持續(xù)推進(jìn)下，科學(xué)研究方向逐漸聚焦，試驗(yàn)探求進(jìn)一步深入，在新型合同系統(tǒng)、最遠(yuǎn)傳輸距離、芯片化集成和組網(wǎng)場(chǎng)景開(kāi)發(fā)等方面取得一系列新成果。本文對(duì)近日QKD領(lǐng)域最新代表性科研進(jìn)展進(jìn)行簡(jiǎn)略綜述，供業(yè)界參考。
2.1離散變量量子秘鑰分發(fā)（DV-QKD）
基于中間節(jié)點(diǎn)進(jìn)行單光子干涉檢測(cè)的新型雙場(chǎng)量子秘鑰分發(fā)合同（TF-QKD）就能去除檢測(cè)節(jié)點(diǎn)的安全漏洞，并進(jìn)一步提高QKD系統(tǒng)的傳輸能力，成為未來(lái)QKD技術(shù)升級(jí)演變和設(shè)備研制關(guān)注的重要方向。2020年，中國(guó)科學(xué)技術(shù)學(xué)院和復(fù)旦學(xué)院聯(lián)合報(bào)導(dǎo)[1]基于改進(jìn)型TF-QKD合同和超導(dǎo)納火鍋單光子偵測(cè)器（SNSPD）實(shí)現(xiàn)509km距離超低損（ULL）光纖傳輸，成分辨率約為0.1bit/s，成為DV-QKD系統(tǒng)傳輸距離的新紀(jì)錄。其中，所提出的“發(fā)送—不發(fā)送”改進(jìn)型合同能否有效提高系統(tǒng)相位噪音容忍度，同時(shí)通過(guò)采用時(shí)頻傳輸技術(shù)結(jié)合附加相位參考光傳輸，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸條件下的單光子級(jí)精準(zhǔn)干涉控制。
將QKD系統(tǒng)收發(fā)機(jī)的調(diào)制譯碼元件進(jìn)行片上光學(xué)集成，可以提高系統(tǒng)集成度、可靠性和性價(jià)比，是未來(lái)QKD設(shè)備升級(jí)研制的重要方向。2020年，中國(guó)科學(xué)技術(shù)學(xué)院報(bào)導(dǎo)[2]基于1.25GHz工作頻度，偏振光編碼硅光集成調(diào)制器檢測(cè)設(shè)備無(wú)關(guān)量子秘鑰分發(fā)（）系統(tǒng)，通過(guò)使用SNSPD作為中間檢測(cè)節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)36dB傳輸信道耗損條件下的31bit/s秘鑰成幀率。
以衛(wèi)星平臺(tái)作為秘鑰中繼、中間檢測(cè)點(diǎn)或糾纏分發(fā)源，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的QKD直接傳輸或中繼組網(wǎng)，是未來(lái)QKD前沿研究和應(yīng)用探求的重要方向。2020年，中國(guó)科技學(xué)院報(bào)導(dǎo)[3]基于墨子號(hào)衛(wèi)星進(jìn)行糾纏分發(fā)，首次實(shí)現(xiàn)在相隔1120km的無(wú)中繼地面站之間的BBM92合同糾纏態(tài)QKD傳輸，秘鑰成分辨率可達(dá)0.12bit/s。
怎樣實(shí)現(xiàn)QKD系統(tǒng)與光通訊系統(tǒng)和網(wǎng)路的共纖傳輸和融合組網(wǎng)，是促進(jìn)實(shí)際網(wǎng)路布署和規(guī)模化應(yīng)用的重要研究方向。2020年，俄羅斯利茲學(xué)院報(bào)導(dǎo)[4]基于波長(zhǎng)選擇開(kāi)關(guān)和光開(kāi)關(guān)矩陣實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)級(jí)和端口級(jí)聯(lián)合調(diào)度的QKD系統(tǒng)與光網(wǎng)路多維度組網(wǎng)調(diào)度的試驗(yàn)方案，為QKD的網(wǎng)路級(jí)集成布署提供了新思路。
2.2連續(xù)變量量子秘鑰分發(fā)（CV-QKD）
CV-QKD系統(tǒng)在成本和集成度方面具有潛在優(yōu)勢(shì)，但遠(yuǎn)距離傳輸能力方面與DV-QKD相比有一定差別。2020年，上海郵電學(xué)院與上海學(xué)院聯(lián)合報(bào)導(dǎo)[5]在實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)環(huán)境下，實(shí)現(xiàn)202.81km距離ULL光纖傳輸和6.214bit/s成分辨率，成為CV-QKD系統(tǒng)遠(yuǎn)距離傳輸?shù)男录o(jì)錄。
CV-QKD本地本振方案成為實(shí)用化研究的發(fā)展趨勢(shì)，但對(duì)激光器線寬和鎖頻穩(wěn)定度提出更高要求。2020年，俄羅斯ICFO報(bào)導(dǎo)[6]基于單激光器的即插即用式CV-QKD系統(tǒng)方案，在13km傳輸距離實(shí)現(xiàn)0.88Mbit/s成分辨率。臺(tái)灣NICT報(bào)導(dǎo)[7]通過(guò)采用發(fā)送端高斯調(diào)制訊號(hào)與導(dǎo)頻訊號(hào)的偏分復(fù)用，對(duì)接收端本地進(jìn)行數(shù)字域DSP相位偏振光補(bǔ)償中國(guó)量子通訊最新進(jìn)展，實(shí)現(xiàn)194波信道波分復(fù)用的CV-QKD系統(tǒng)試驗(yàn)，25km距離的系統(tǒng)整體成分辨率可達(dá)到172.6Mbit/s。
CV-QKD系統(tǒng)硬件采用傳統(tǒng)相干光通訊元件，便于實(shí)現(xiàn)光學(xué)集成，才能有效提高系統(tǒng)集成度與性價(jià)比。香港南洋理工報(bào)導(dǎo)[8]基于硅光集成的芯片化CVQKD系統(tǒng)試驗(yàn)，在100km傳輸距離實(shí)現(xiàn)成分辨率為0.14kbit/s。
3量子保密通訊應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)化持續(xù)探求
在QKD應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)化方面，近日國(guó)外外均布局和舉辦了相關(guān)網(wǎng)路試驗(yàn)驗(yàn)證和商用化方案探求等工作。2019年，歐共體委員會(huì)推出項(xiàng)目，聯(lián)合研究機(jī)構(gòu)、QKD設(shè)備商和網(wǎng)路營(yíng)運(yùn)商，構(gòu)建開(kāi)放測(cè)試試驗(yàn)床，舉辦技術(shù)驗(yàn)證和現(xiàn)網(wǎng)試驗(yàn)。日本公司發(fā)布PhioTX2.0量子保密通訊解決方案，集成QKD、量子隨機(jī)數(shù)發(fā)生器（QRNG）和抗量子估算破解加密算法（PQC）應(yīng)用。日本SKT聯(lián)合英國(guó)IDQ公司，推出基于QRNG芯片的三星5G加密手機(jī)。
近些年來(lái)，我國(guó)相關(guān)管理部門組織舉辦QKD系統(tǒng)設(shè)備現(xiàn)實(shí)安全性測(cè)評(píng)。國(guó)家電網(wǎng)組織舉辦量子保密通訊技術(shù)實(shí)用化應(yīng)用相關(guān)研究項(xiàng)目；國(guó)科量子網(wǎng)路參建國(guó)家廣域量子保密通訊骨干網(wǎng)路建設(shè)一期工程，相繼舉辦實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)聯(lián)調(diào)和外場(chǎng)布署等工作；上海、南京、武漢等地進(jìn)一步舉辦量子保密通訊在政務(wù)信息網(wǎng)路的試點(diǎn)應(yīng)用。在公司層面，交大國(guó)盾量子于2020年7月登錄科創(chuàng)板，遭到資本市場(chǎng)和社會(huì)輿論的關(guān)注；北京循態(tài)、北京啟科、廣東國(guó)騰和中創(chuàng)為等QKD系統(tǒng)設(shè)備市場(chǎng)新廠家相繼推出各具特色的商用化系統(tǒng)和應(yīng)用解決方案；易科騰等加密應(yīng)用方案提供商，在銀企專網(wǎng)等高安全性需求領(lǐng)域持續(xù)舉辦探求。
在QKD標(biāo)準(zhǔn)化研究方面，ITU-T在SG13和SG17舉辦18項(xiàng)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)研究，至2020年10月已有3項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)獲準(zhǔn)，研究工作以中國(guó)、日本、韓國(guó)為主要推進(jìn)力量，法國(guó)成員國(guó)參與度有所提升，同時(shí)在FG-QIT4N焦點(diǎn)組舉辦QKD網(wǎng)路的術(shù)語(yǔ)、應(yīng)用場(chǎng)景、協(xié)議和傳輸技術(shù)等方面的標(biāo)準(zhǔn)化核高基。ETSI的ISG-QKD正持續(xù)舉辦6項(xiàng)QKD系統(tǒng)新規(guī)范或修訂規(guī)范項(xiàng)目研究。ISO/IEC的QKD系統(tǒng)安全性要求和測(cè)評(píng)方式標(biāo)準(zhǔn)研發(fā)進(jìn)一步加快。CCSAST7發(fā)布我國(guó)首個(gè)量子保密通訊領(lǐng)域的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)——YD/T3834.1-2020《量子秘鑰分發(fā)（QKD）系統(tǒng)技術(shù)要求第1部份：基于引誘態(tài)BB84合同的QKD系統(tǒng)》和YD/T3835.1-2020《量子秘鑰分發(fā)（QKD）系統(tǒng)測(cè)試方式第1部份：基于引誘態(tài)BB84合同的QKD系統(tǒng)》，后續(xù)可為業(yè)界和用戶在QKD設(shè)備選型、應(yīng)用布署和網(wǎng)路運(yùn)維等過(guò)程中提供必要參考。
4QKD應(yīng)用觀點(diǎn)仍未統(tǒng)一，各方見(jiàn)仁見(jiàn)智
近日，歐美多家研究機(jī)構(gòu)和政府部門公開(kāi)發(fā)布了關(guān)于QKD技術(shù)特點(diǎn)、應(yīng)用模式、應(yīng)用場(chǎng)景和發(fā)展前景的研究剖析和觀點(diǎn)立場(chǎng)，其中的認(rèn)識(shí)理解觀點(diǎn)各異，應(yīng)用建議也是見(jiàn)仁見(jiàn)智。
2019年10月，歐共體委員會(huì)聯(lián)合研究中心（JRC）發(fā)布《QKD現(xiàn)網(wǎng)布署》研究報(bào)告[9]，梳理總結(jié)了全球各國(guó)的QKD現(xiàn)網(wǎng)布署情況，并對(duì)相關(guān)研究應(yīng)用進(jìn)展和技術(shù)指標(biāo)情況進(jìn)行剖析。其中，QKD技術(shù)是否還能提供具有無(wú)可爭(zhēng)議優(yōu)勢(shì)的應(yīng)用場(chǎng)景尚有待明晰，當(dāng)前應(yīng)用的主要局限是秘鑰生成速度和傳輸距離有限，須要專用基礎(chǔ)設(shè)施，且無(wú)法實(shí)現(xiàn)端到端的安全性。絕大多數(shù)已知的QKD現(xiàn)網(wǎng)布署為公共研究資金支持，少有私營(yíng)部門的應(yīng)用布署。雖然QKD現(xiàn)網(wǎng)布署已取得顯著進(jìn)展，但缺少具有顯著優(yōu)勢(shì)和定義清晰的應(yīng)用場(chǎng)景，技術(shù)差別依然存在，實(shí)際應(yīng)用遭到限制。
2019年12月，俄羅斯國(guó)防部（DoD）國(guó)防科學(xué)委員會(huì)公開(kāi)《量子技術(shù)應(yīng)用》研究報(bào)告的內(nèi)容摘要版[10]，其中列出了對(duì)量子傳感器、量子估算、量子通訊和糾纏分發(fā)三大領(lǐng)域共24條核心觀點(diǎn)發(fā)覺(jué)，有3條涉及QKD技術(shù)。發(fā)覺(jué)六：在原則上，量子秘鑰分發(fā)（QKD）提供自然信息理論（）密碼安全性。QKD系統(tǒng)不支持經(jīng)過(guò)身分驗(yàn)證的秘鑰交換。發(fā)覺(jué)七：QKD的施行能力或安全性不足,未能布署用于DoD任務(wù)。委員會(huì)任務(wù)組同意國(guó)家安全局（NSA）對(duì)QKD認(rèn)證的評(píng)估。發(fā)覺(jué)八：應(yīng)了解和跟蹤QKD在美國(guó)的開(kāi)發(fā)和使用。
日本國(guó)家安全局（NSA）在其官方網(wǎng)站上列舉了關(guān)于QKD和量子加密應(yīng)用的觀點(diǎn)[11]，強(qiáng)調(diào)5條技術(shù)的局限，一是QKD只是部份解決方案；二是須要專用設(shè)備；三是降低了基礎(chǔ)構(gòu)架成本和內(nèi)部恐嚇風(fēng)險(xiǎn)；四是安全性和驗(yàn)證是重大挑戰(zhàn)；五是降低了服務(wù)失效的風(fēng)險(xiǎn)。推論是：NSA將PQC視為比QKD更具成本效益且便于維護(hù)的解決方案。NSA不支持使用QKD來(lái)保護(hù)國(guó)家安全系統(tǒng)中的通訊，除非克服了上述限制，否則不會(huì)認(rèn)證或批準(zhǔn)QKD安全產(chǎn)品。
2020年5月，美國(guó)國(guó)家數(shù)字安全中心（NCSC）發(fā)布《量子安全技術(shù)》立場(chǎng)藍(lán)皮書(shū)[12]。其中，QKD合同須要與確保身分驗(yàn)證的加密機(jī)制一起布署，這種加密機(jī)制也必須防范量子恐嚇。QKD并不是應(yīng)對(duì)量子估算恐嚇的惟一方式，NIST等國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)組織正在進(jìn)行PQC的標(biāo)準(zhǔn)化工作，這種算法不須要專用硬件，可通過(guò)身分驗(yàn)證共享秘鑰，防止中間人功擊風(fēng)險(xiǎn)。NCSC同意加密秘鑰只是保護(hù)復(fù)雜系統(tǒng)所必須采用的許多機(jī)制之一，須要更多地研究以了解怎樣實(shí)現(xiàn)QKD合同并將其集成到復(fù)雜的系統(tǒng)中。NCSC認(rèn)可QKD領(lǐng)域目前正在進(jìn)行的研究和認(rèn)證工作。NCSC不支持在任何政府或軍事應(yīng)用中使用QKD，并囑咐不要在關(guān)鍵業(yè)務(wù)網(wǎng)路（尤其是關(guān)鍵國(guó)家基礎(chǔ)設(shè)施領(lǐng)域）完全依賴QKD。NCSC的建議是，應(yīng)對(duì)量子估算恐嚇最好的方式是PQC。
2020年5月，美國(guó)國(guó)家網(wǎng)路安全局（ANSSI）發(fā)布《是否應(yīng)將QKD用于安全通訊》技術(shù)立場(chǎng)報(bào)告[13]。報(bào)告強(qiáng)調(diào)，QKD最合理的用途是與對(duì)稱加密一起，在彼此足夠緊靠并由光纖聯(lián)接的固定位置之間提供通訊安全性。QKD傳輸距離限制（或須要使用衛(wèi)星來(lái)克服），其點(diǎn)對(duì)點(diǎn)性質(zhì)以及對(duì)通道數(shù)學(xué)的依賴性，致使其大規(guī)模布署極為復(fù)雜且成本很高。QKD對(duì)于無(wú)直連鏈路的兩點(diǎn)間生成公共秘鑰須要借助可信中繼，與目前端到端秘鑰協(xié)商方案相比，是一種倒退。多年來(lái)，密碼界仍然在考慮量子計(jì)算機(jī)恐嚇，新的量子安全非對(duì)稱算法通過(guò)NIST組織的競(jìng)爭(zhēng)正在標(biāo)準(zhǔn)化，來(lái)取代易受量子估算影響的算法。ANSSI建議，在須要常年安全性（10年或更長(zhǎng)）時(shí)盡早使用PQC。QKD原則上提供的安全保證帶有重大布署約束，這種約束會(huì)降低所提供服務(wù)的范圍，并在實(shí)踐中損害QKD的安全保證。在點(diǎn)對(duì)點(diǎn)鏈接上，使用QKD可以被覺(jué)得是對(duì)傳統(tǒng)密碼技術(shù)的補(bǔ)充。
2020年5月，英國(guó)智庫(kù)哈德森（）研究所發(fā)布《高管量子密碼學(xué)手冊(cè)：后量子世界中的安全性》報(bào)告[14]，對(duì)QKD技術(shù)原理、應(yīng)用場(chǎng)景和發(fā)展情況進(jìn)行了詳述。報(bào)告強(qiáng)調(diào)，面對(duì)量子估算的恐嚇，一種解決方案是PQC，但其基于加密算法未能被量子估算破解的假定難以被證明且存在風(fēng)險(xiǎn)；另一種方案是使用量子技術(shù)提供的工具，包括QKD和QRNG。QKD是惟一的一種基于量子化學(xué)特點(diǎn)證明安全性的遠(yuǎn)距離秘鑰傳輸方式，并將成為所有高價(jià)值數(shù)據(jù)網(wǎng)路的安全基石。當(dāng)前，法國(guó)在這一領(lǐng)域并不是惟一玩家，甚至不是領(lǐng)導(dǎo)者；未來(lái)，隨著QKD技術(shù)的發(fā)展和成熟，將產(chǎn)生包括空間網(wǎng)路在內(nèi)的全球量子通訊網(wǎng)路的基礎(chǔ)。
私鑰加密體系是現(xiàn)今網(wǎng)路信息安全的基石。面臨量子估算可能帶來(lái)的私鑰物理問(wèn)題估算破解風(fēng)險(xiǎn)，歐美研究機(jī)構(gòu)提出研究致力面對(duì)量子估算和精典估算均能保證其加密安全性新一代私鑰加密體系，即PQC。日本NIST牽頭，于2016年啟動(dòng)全球PQC算法征集和評(píng)選，截至到2020年7月已完成3輪評(píng)比，從最初的69項(xiàng)算法議案中推選出7項(xiàng)私鑰加密和數(shù)字簽名算法入選，預(yù)計(jì)在2023年左右推出PQC算法國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。我國(guó)中國(guó)科大學(xué)信息工程研究所團(tuán)隊(duì)提出的格密碼議案未入選第四輪。PQC算法是對(duì)于已知量子估算風(fēng)險(xiǎn)恐嚇的一種算法層面的升級(jí)響應(yīng)，但其他未知的風(fēng)險(xiǎn)與恐嚇仍留待未來(lái)去解決，目前評(píng)比多種算法的做法也有不把所有豬肉置于同一個(gè)籃子里的考慮。PQC基于現(xiàn)有私鑰加密體系進(jìn)行算法升級(jí)，對(duì)于系統(tǒng)構(gòu)架和硬件改動(dòng)較少，利于規(guī)模化推廣應(yīng)用，將與QKD產(chǎn)生技術(shù)解決方案的路線競(jìng)爭(zhēng)。兩者未來(lái)也可能互相融合，但發(fā)展趨勢(shì)尚有待觀察。
2020年4月，英國(guó)智庫(kù)蘭德（RAND）公司公布《量子估算時(shí)代的安全通訊》報(bào)告[15]，其中預(yù)測(cè)才能破解私鑰密碼體系的量子計(jì)算機(jī)可能在2033年前后出現(xiàn)，將給信息安全帶來(lái)功擊性和溯源性風(fēng)險(xiǎn)，需盡早推進(jìn)敏感信息業(yè)務(wù)的PQC升級(jí)遷移。報(bào)告同時(shí)倡議菲律賓政府注重量子估算帶來(lái)的信息安全恐嚇，推動(dòng)深化PQC標(biāo)準(zhǔn)化，在政府信息系統(tǒng)層面強(qiáng)制實(shí)行PQC升級(jí)，并推動(dòng)其商用化應(yīng)用推廣。
5QKD在科研、工程和應(yīng)用層面的剖析
近些年來(lái)，業(yè)界對(duì)于QKD和量子保密通訊在科研、工程和應(yīng)用等層面問(wèn)題的認(rèn)識(shí)和討論進(jìn)一步深入，未來(lái)各方聚焦QKD技術(shù)、應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的核心問(wèn)題，明晰定位、凝聚共識(shí)、協(xié)同推進(jìn)將有望成為趨勢(shì)。對(duì)于QKD問(wèn)題的剖析，應(yīng)該分辨科學(xué)研究、工程研制和應(yīng)用探求3個(gè)不同層面，以利于業(yè)界各方明晰技術(shù)和應(yīng)用現(xiàn)況，定位存在的問(wèn)題和困局，以及闡述未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。
5.1科研層面
2020年5月，中國(guó)科學(xué)技術(shù)學(xué)院在全球化學(xué)學(xué)領(lǐng)域的頂尖刊物《現(xiàn)代數(shù)學(xué)評(píng)論》發(fā)表QKD短篇綜述論文[16]，全面回顧了QKD研究歷程、關(guān)鍵技術(shù)和重要成果，并從學(xué)術(shù)界視角回應(yīng)了關(guān)于QKD技術(shù)的10個(gè)疑惑。文中觀點(diǎn)也代表了QKD學(xué)術(shù)界的主流見(jiàn)解，覺(jué)得當(dāng)前QKD技術(shù)面臨的指責(zé)與問(wèn)題，在技術(shù)層面都可以有解決方案，但是相關(guān)研究都在推動(dòng)，未來(lái)可進(jìn)一步建立和提高。
對(duì)于QKD科研層面問(wèn)題，學(xué)術(shù)界多年來(lái)已有大量研究成果和文獻(xiàn)報(bào)導(dǎo)，前沿研究和試驗(yàn)探求也在蓬勃發(fā)展，科學(xué)家強(qiáng)調(diào)的未來(lái)可期絕非虛言。但同時(shí)也要聽(tīng)到，科研層面討論的雙場(chǎng)（TF）和檢測(cè)設(shè)備無(wú)關(guān)（MDI）等新型合同系統(tǒng)，量子儲(chǔ)存和量子中繼等技術(shù)方向，在短期內(nèi)沒(méi)有明晰的商用化或?qū)嵱没熬埃⒉荒荞R上用于解決當(dāng)前面臨的工程和應(yīng)用困局。一方面，產(chǎn)業(yè)界不能以工程和應(yīng)用中存在的問(wèn)題來(lái)否定QKD領(lǐng)域的科學(xué)共識(shí)和科研成果；另一方面，學(xué)術(shù)界恐也無(wú)法科研論文的發(fā)表來(lái)回應(yīng)工程和應(yīng)用中面臨的現(xiàn)實(shí)問(wèn)題。
5.2工程層面
在QKD設(shè)備研制和布署的工程層面，當(dāng)前QKD和量子保密通訊系統(tǒng)的工程化現(xiàn)況主要是商用QKD系統(tǒng)的現(xiàn)網(wǎng)光纖傳輸距離百公里以內(nèi)，秘鑰成分辨率約為10kbit/s量級(jí)，系統(tǒng)設(shè)備工程化水平仍有較大提高空間。商用QKD網(wǎng)路基于可信中繼節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)QKD秘鑰儲(chǔ)存管理，通過(guò)秘鑰路由和加密調(diào)度實(shí)現(xiàn)端到端秘鑰生成和提供。商用加密設(shè)備采用QKD秘鑰或中繼秘鑰，結(jié)合國(guó)密/商密對(duì)稱加密算法，實(shí)現(xiàn)傳輸信道加密，支持的加密信道業(yè)務(wù)容量可達(dá)Gbit/s量級(jí)。
量子保密通訊系統(tǒng)和網(wǎng)路的工程化問(wèn)題主要是，QKD在合同設(shè)計(jì)層面，以犧牲訊號(hào)傳輸?shù)聂敯粜詠?lái)?yè)Q取秘鑰生成的安全性中國(guó)量子通訊最新進(jìn)展，這一特點(diǎn)對(duì)QKD系統(tǒng)性能指標(biāo)和工程化水平的提高產(chǎn)生了阻礙。商用化的QKD均采用制備-檢測(cè)系統(tǒng)方案，發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的現(xiàn)實(shí)安全性須要研究和驗(yàn)證，目前相關(guān)測(cè)評(píng)正在組織舉辦。商用QKD系統(tǒng)秘鑰速度有限，高速率等級(jí)通訊業(yè)務(wù)無(wú)法采用“一次一密”加密，量子保密通訊系統(tǒng)無(wú)法達(dá)到信息論可證明安全性。QKD網(wǎng)路可信中繼節(jié)點(diǎn)的安全防護(hù)要求和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范目前仍未完全明晰，“短板效應(yīng)”降低了量子保密通訊網(wǎng)路的整體安全性。
現(xiàn)階段的商用QKD和量子保密通訊系統(tǒng)，其工程化水平雖已達(dá)到“可用”，但距離“好用”仍有較大提高空間。進(jìn)一步突破和解決系統(tǒng)與網(wǎng)路工程實(shí)踐中面臨的困局問(wèn)題，是QKD和量子保密通訊技術(shù)完成科學(xué)研究、試驗(yàn)開(kāi)發(fā)、推廣應(yīng)用的五級(jí)跳，真正實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新價(jià)值的必要前提和必由之路。目前，我國(guó)QKD和量子保密通訊示范應(yīng)用項(xiàng)目和試驗(yàn)網(wǎng)路建設(shè)的數(shù)目和規(guī)模早已全球領(lǐng)先，下一步解決工程層面的問(wèn)題更需產(chǎn)業(yè)公司“打鐵自身硬”。據(jù)悉，解決工程層面的問(wèn)題，也須要量子化學(xué)、信息安全和網(wǎng)路通訊等各領(lǐng)域匯聚共識(shí)，產(chǎn)生合力，多方共同推進(jìn)。
5.3應(yīng)用層面
在QKD和量子保密通訊應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)發(fā)展層面，基于QKD的量子保密通訊在全球舉辦多項(xiàng)試驗(yàn)網(wǎng)路建設(shè)和試點(diǎn)應(yīng)用，我國(guó)在項(xiàng)目數(shù)目、網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和投資規(guī)模方面處于領(lǐng)先。包括基礎(chǔ)研究、設(shè)備研發(fā)、網(wǎng)建運(yùn)維、加密應(yīng)用在內(nèi)的量子保密通訊產(chǎn)業(yè)鏈基本產(chǎn)生，但產(chǎn)業(yè)規(guī)模和發(fā)展速率較為有限。量子保密通訊的應(yīng)用探求已超過(guò)10年，主要發(fā)展模式為公共研究資金支持和政府類項(xiàng)目投入，市場(chǎng)化內(nèi)生下降動(dòng)力較弱，商用化推廣成果較少，社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益難言非常明顯。量子保密通訊在標(biāo)準(zhǔn)研發(fā)、型號(hào)準(zhǔn)入和測(cè)評(píng)認(rèn)證等方面的工作進(jìn)展較為平緩，也成為在高安全需求領(lǐng)域應(yīng)用的困局之一。
量子保密通訊才能提高信息安全防護(hù)能力，在符合應(yīng)用場(chǎng)景需求和管理準(zhǔn)入條件的前提下，可在高安全需求領(lǐng)域的專用網(wǎng)路率先舉辦應(yīng)用探求。量子保密通訊的應(yīng)用推廣，須要破解在高安全需求領(lǐng)域“不敢用”和通常安全需求領(lǐng)域“用不起”的兩難窘境。量子保密通訊產(chǎn)業(yè)化發(fā)展須要科研開(kāi)發(fā)支撐、應(yīng)用場(chǎng)景開(kāi)拓、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范引導(dǎo)和測(cè)評(píng)認(rèn)證保障等各方協(xié)同推進(jìn)。基于當(dāng)前的量子保密通訊商用化解決方案，進(jìn)行規(guī)模化網(wǎng)路建設(shè)的決策應(yīng)按照應(yīng)用場(chǎng)景的實(shí)際需求，廣泛聽(tīng)取各方意見(jiàn)，充分論證，穩(wěn)當(dāng)施行。
6結(jié)束語(yǔ)
基于量子秘鑰分發(fā)的量子保密通訊是量子通訊領(lǐng)域目前步入實(shí)用化階段的技術(shù)分支，近些年來(lái)科研領(lǐng)域持續(xù)保持活躍，相關(guān)研究成果不斷涌現(xiàn)，應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)化探求進(jìn)一步舉辦，各方應(yīng)用觀點(diǎn)與意見(jiàn)仍未統(tǒng)一。我國(guó)量子保密通訊技術(shù)研究與應(yīng)用探求具備良好實(shí)踐基礎(chǔ)，面對(duì)相關(guān)問(wèn)題困局，產(chǎn)學(xué)研用各方進(jìn)一步匯聚共識(shí)，協(xié)同推進(jìn)探求破解之道，未來(lái)有望提高工程化和實(shí)用化水平，促使技術(shù)應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)健康有序發(fā)展。
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