作者簡介
賴俊森，中國信息通訊研究院技術與標準研究所寬帶網路研究部中級工程師，博士，主要從事量子信息等相關新技術研究、標準制訂及測試驗證等工作。
趙文玉，中國信息通訊研究院技術與標準研究所寬帶網路研究部部長，博士，正中級工程師，主要從事超高速光通訊、光模塊元件和量子信息等相關新技術研究、標準制訂及測試驗證等工作。
張海懿，中國信息通訊研究院技術與標準研究所副主任，正中級工程師，主要從事超高速光通訊、光模塊元件和量子信息等相關新技術研究、標準制訂及測試驗證等工作。
論文引用格式
賴俊森，趙文玉，張海懿.量子保密通訊技術進展及應用趨勢剖析[J].信息通訊技術與新政,2020(12):64-69.
?基金項目:國家自然科學基金捐助項目（No.）、國家重點研制計劃項目（No.）捐助
量子保密通訊技術進展及應用趨勢剖析*
賴俊森趙文玉張海懿
（中國信息通訊研究院技術與標準研究所，沈陽）
摘要：基于量子秘鑰分發的量子保密通訊已步入初步實用化階段，有望成為提高網路信息安全防護能力的可選方案之一。對基于量子秘鑰分發的量子保密通訊領域的最新研究和應用進展進行綜述，集中呈現各方對量子秘鑰分發技術應用的觀點和想法，并針對量子秘鑰分發技術在科研、工程和應用三個不同層面的問題提出相應的剖析和建議，供業界參考。
關鍵詞：量子秘鑰分發；量子保密通訊；應用剖析
1序言
量子通訊借助量子疊加態及糾纏效應，在精典通訊輔助下，可以實現量子態信息傳輸或秘鑰分發，在理論合同層面具有難以被監聽的信息論安全性保證。量子通訊的應用主要包括量子隱型傳態（，QT）、量子秘鑰分發（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。從研究論文數目和專利申請情況進行剖析，QKD和QT是目前量子通訊研究與應用發展的重點方向，而基于QKD的量子保密通訊則是目前實用化的應用方向。近些年來，量子秘鑰分發領域的科學研究持續保持活躍，應用和產業化進一步探求，應用觀點和意見仍未統一，成為業界關注的焦點之一。
媒體宣傳對量子通訊或存在一些誤會和過度剖析，容易引起何必要的爭議，不利于匯聚共識、形成合力，對此作幾點說明：第一，QKD只是量子通訊的應用之一，直接將兩者劃等號會以偏概全，并非恰當敘述；第二，量子通訊的本質是實現未知量子態（Qubit）的傳輸，與傳輸確定信息（Bit）的精典通訊面向不同應用場景，更不存在取代關系；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中的貝爾態聯合檢測結果傳輸等，不存在信息超光速傳輸的情況；第四，量子通訊中的QKD和QT等應用有望為提高精典通訊的安全性或組網合同功能提供新型可選解決方案，但實用化和工程化等方面仍有眾多問題須要進一步探求、突破和解決。
2QKD科研保持活躍，取得一系列新成果
作為量子通訊領域目前步入初步實用化的應用方向，QKD技術在國外外相關科研團隊的持續推進下，科學研究方向逐漸聚焦，試驗探求進一步深入，在新型合同系統、最遠傳輸距離、芯片化集成和組網場景開發等方面取得一系列新成果。本文對近日QKD領域最新代表性科研進展進行簡略綜述，供業界參考。
2.1離散變量量子秘鑰分發（DV-QKD）
基于中間節點進行單光子干涉檢測的新型雙場量子秘鑰分發合同（TF-QKD）就能去除檢測節點的安全漏洞，并進一步提高QKD系統的傳輸能力，成為未來QKD技術升級演變和設備研制關注的重要方向。2020年，中國科學技術學院和復旦學院聯合報導[1]基于改進型TF-QKD合同和超導納火鍋單光子偵測器（SNSPD）實現509km距離超低損（ULL）光纖傳輸，成分辨率約為0.1bit/s，成為DV-QKD系統傳輸距離的新紀錄。其中，所提出的“發送—不發送”改進型合同能否有效提高系統相位噪音容忍度，同時通過采用時頻傳輸技術結合附加相位參考光傳輸，可以實現遠距離傳輸條件下的單光子級精準干涉控制。
將QKD系統收發機的調制譯碼元件進行片上光學集成，可以提高系統集成度、可靠性和性價比，是未來QKD設備升級研制的重要方向。2020年，中國科學技術學院報導[2]基于1.25GHz工作頻度，偏振光編碼硅光集成調制器檢測設備無關量子秘鑰分發（）系統，通過使用SNSPD作為中間檢測節點，實現36dB傳輸信道耗損條件下的31bit/s秘鑰成幀率。
以衛星平臺作為秘鑰中繼、中間檢測點或糾纏分發源，可以實現遠距離的QKD直接傳輸或中繼組網，是未來QKD前沿研究和應用探求的重要方向。2020年，中國科技學院報導[3]基于墨子號衛星進行糾纏分發，首次實現在相隔1120km的無中繼地面站之間的BBM92合同糾纏態QKD傳輸，秘鑰成分辨率可達0.12bit/s。
怎樣實現QKD系統與光通訊系統和網路的共纖傳輸和融合組網，是促進實際網路布署和規模化應用的重要研究方向。2020年，俄羅斯利茲學院報導[4]基于波長選擇開關和光開關矩陣實現波長級和端口級聯合調度的QKD系統與光網路多維度組網調度的試驗方案，為QKD的網路級集成布署提供了新思路。
2.2連續變量量子秘鑰分發（CV-QKD）
CV-QKD系統在成本和集成度方面具有潛在優勢，但遠距離傳輸能力方面與DV-QKD相比有一定差別。2020年，上海郵電學院與上海學院聯合報導[5]在實驗室系統環境下，實現202.81km距離ULL光纖傳輸和6.214bit/s成分辨率，成為CV-QKD系統遠距離傳輸的新紀錄。
CV-QKD本地本振方案成為實用化研究的發展趨勢，但對激光器線寬和鎖頻穩定度提出更高要求。2020年，俄羅斯ICFO報導[6]基于單激光器的即插即用式CV-QKD系統方案，在13km傳輸距離實現0.88Mbit/s成分辨率。臺灣NICT報導[7]通過采用發送端高斯調制訊號與導頻訊號的偏分復用，對接收端本地進行數字域DSP相位偏振光補償中國量子通訊最新進展，實現194波信道波分復用的CV-QKD系統試驗，25km距離的系統整體成分辨率可達到172.6Mbit/s。
CV-QKD系統硬件采用傳統相干光通訊元件，便于實現光學集成，才能有效提高系統集成度與性價比。香港南洋理工報導[8]基于硅光集成的芯片化CVQKD系統試驗，在100km傳輸距離實現成分辨率為0.14kbit/s。
3量子保密通訊應用和產業化持續探求
在QKD應用和產業化方面，近日國外外均布局和舉辦了相關網路試驗驗證和商用化方案探求等工作。2019年，歐共體委員會推出項目，聯合研究機構、QKD設備商和網路營運商，構建開放測試試驗床，舉辦技術驗證和現網試驗。日本公司發布PhioTX2.0量子保密通訊解決方案，集成QKD、量子隨機數發生器（QRNG）和抗量子估算破解加密算法（PQC）應用。日本SKT聯合英國IDQ公司，推出基于QRNG芯片的三星5G加密手機。
近些年來，我國相關管理部門組織舉辦QKD系統設備現實安全性測評。國家電網組織舉辦量子保密通訊技術實用化應用相關研究項目；國科量子網路參建國家廣域量子保密通訊骨干網路建設一期工程，相繼舉辦實驗室系統聯調和外場布署等工作；上海、南京、武漢等地進一步舉辦量子保密通訊在政務信息網路的試點應用。在公司層面，交大國盾量子于2020年7月登錄科創板，遭到資本市場和社會輿論的關注；北京循態、北京啟科、廣東國騰和中創為等QKD系統設備市場新廠家相繼推出各具特色的商用化系統和應用解決方案；易科騰等加密應用方案提供商，在銀企專網等高安全性需求領域持續舉辦探求。
在QKD標準化研究方面，ITU-T在SG13和SG17舉辦18項相關標準研究，至2020年10月已有3項標準獲準，研究工作以中國、日本、韓國為主要推進力量，法國成員國參與度有所提升，同時在FG-QIT4N焦點組舉辦QKD網路的術語、應用場景、協議和傳輸技術等方面的標準化核高基。ETSI的ISG-QKD正持續舉辦6項QKD系統新規范或修訂規范項目研究。ISO/IEC的QKD系統安全性要求和測評方式標準研發進一步加快。CCSAST7發布我國首個量子保密通訊領域的行業標準——YD/T3834.1-2020《量子秘鑰分發（QKD）系統技術要求第1部份：基于引誘態BB84合同的QKD系統》和YD/T3835.1-2020《量子秘鑰分發（QKD）系統測試方式第1部份：基于引誘態BB84合同的QKD系統》，后續可為業界和用戶在QKD設備選型、應用布署和網路運維等過程中提供必要參考。
4QKD應用觀點仍未統一，各方見仁見智
近日，歐美多家研究機構和政府部門公開發布了關于QKD技術特點、應用模式、應用場景和發展前景的研究剖析和觀點立場，其中的認識理解觀點各異，應用建議也是見仁見智。
2019年10月，歐共體委員會聯合研究中心（JRC）發布《QKD現網布署》研究報告[9]，梳理總結了全球各國的QKD現網布署情況，并對相關研究應用進展和技術指標情況進行剖析。其中，QKD技術是否還能提供具有無可爭議優勢的應用場景尚有待明晰，當前應用的主要局限是秘鑰生成速度和傳輸距離有限，須要專用基礎設施，且無法實現端到端的安全性。絕大多數已知的QKD現網布署為公共研究資金支持，少有私營部門的應用布署。雖然QKD現網布署已取得顯著進展，但缺少具有顯著優勢和定義清晰的應用場景，技術差別依然存在，實際應用遭到限制。
2019年12月，俄羅斯國防部（DoD）國防科學委員會公開《量子技術應用》研究報告的內容摘要版[10]，其中列出了對量子傳感器、量子估算、量子通訊和糾纏分發三大領域共24條核心觀點發覺，有3條涉及QKD技術。發覺六：在原則上，量子秘鑰分發（QKD）提供自然信息理論（）密碼安全性。QKD系統不支持經過身分驗證的秘鑰交換。發覺七：QKD的施行能力或安全性不足,未能布署用于DoD任務。委員會任務組同意國家安全局（NSA）對QKD認證的評估。發覺八：應了解和跟蹤QKD在美國的開發和使用。
日本國家安全局（NSA）在其官方網站上列舉了關于QKD和量子加密應用的觀點[11]，強調5條技術的局限，一是QKD只是部份解決方案；二是須要專用設備；三是降低了基礎構架成本和內部恐嚇風險；四是安全性和驗證是重大挑戰；五是降低了服務失效的風險。推論是：NSA將PQC視為比QKD更具成本效益且便于維護的解決方案。NSA不支持使用QKD來保護國家安全系統中的通訊，除非克服了上述限制，否則不會認證或批準QKD安全產品。
2020年5月，美國國家數字安全中心（NCSC）發布《量子安全技術》立場藍皮書[12]。其中，QKD合同須要與確保身分驗證的加密機制一起布署，這種加密機制也必須防范量子恐嚇。QKD并不是應對量子估算恐嚇的惟一方式，NIST等國際標準組織正在進行PQC的標準化工作，這種算法不須要專用硬件，可通過身分驗證共享秘鑰，防止中間人功擊風險。NCSC同意加密秘鑰只是保護復雜系統所必須采用的許多機制之一，須要更多地研究以了解怎樣實現QKD合同并將其集成到復雜的系統中。NCSC認可QKD領域目前正在進行的研究和認證工作。NCSC不支持在任何政府或軍事應用中使用QKD，并囑咐不要在關鍵業務網路（尤其是關鍵國家基礎設施領域）完全依賴QKD。NCSC的建議是，應對量子估算恐嚇最好的方式是PQC。
2020年5月，美國國家網路安全局（ANSSI）發布《是否應將QKD用于安全通訊》技術立場報告[13]。報告強調，QKD最合理的用途是與對稱加密一起，在彼此足夠緊靠并由光纖聯接的固定位置之間提供通訊安全性。QKD傳輸距離限制（或須要使用衛星來克服），其點對點性質以及對通道數學的依賴性，致使其大規模布署極為復雜且成本很高。QKD對于無直連鏈路的兩點間生成公共秘鑰須要借助可信中繼，與目前端到端秘鑰協商方案相比，是一種倒退。多年來，密碼界仍然在考慮量子計算機恐嚇，新的量子安全非對稱算法通過NIST組織的競爭正在標準化，來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）時盡早使用PQC。QKD原則上提供的安全保證帶有重大布署約束，這種約束會降低所提供服務的范圍，并在實踐中損害QKD的安全保證。在點對點鏈接上，使用QKD可以被覺得是對傳統密碼技術的補充。
2020年5月，英國智庫哈德森（）研究所發布《高管量子密碼學手冊：后量子世界中的安全性》報告[14]，對QKD技術原理、應用場景和發展情況進行了詳述。報告強調，面對量子估算的恐嚇，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險；另一種方案是使用量子技術提供的工具，包括QKD和QRNG。QKD是惟一的一種基于量子化學特點證明安全性的遠距離秘鑰傳輸方式，并將成為所有高價值數據網路的安全基石。當前，法國在這一領域并不是惟一玩家，甚至不是領導者；未來，隨著QKD技術的發展和成熟，將產生包括空間網路在內的全球量子通訊網路的基礎。
私鑰加密體系是現今網路信息安全的基石。面臨量子估算可能帶來的私鑰物理問題估算破解風險，歐美研究機構提出研究致力面對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年啟動全球PQC算法征集和評選，截至到2020年7月已完成3輪評比，從最初的69項算法議案中推選出7項私鑰加密和數字簽名算法入選，預計在2023年左右推出PQC算法國際標準。我國中國科大學信息工程研究所團隊提出的格密碼議案未入選第四輪。PQC算法是對于已知量子估算風險恐嚇的一種算法層面的升級響應，但其他未知的風險與恐嚇仍留待未來去解決，目前評比多種算法的做法也有不把所有豬肉置于同一個籃子里的考慮。PQC基于現有私鑰加密體系進行算法升級，對于系統構架和硬件改動較少，利于規模化推廣應用，將與QKD產生技術解決方案的路線競爭。兩者未來也可能互相融合，但發展趨勢尚有待觀察。
2020年4月，英國智庫蘭德（RAND）公司公布《量子估算時代的安全通訊》報告[15]，其中預測才能破解私鑰密碼體系的量子計算機可能在2033年前后出現，將給信息安全帶來功擊性和溯源性風險，需盡早推進敏感信息業務的PQC升級遷移。報告同時倡議菲律賓政府注重量子估算帶來的信息安全恐嚇，推動深化PQC標準化，在政府信息系統層面強制實行PQC升級，并推動其商用化應用推廣。
5QKD在科研、工程和應用層面的剖析
近些年來，業界對于QKD和量子保密通訊在科研、工程和應用等層面問題的認識和討論進一步深入，未來各方聚焦QKD技術、應用和產業發展的核心問題，明晰定位、凝聚共識、協同推進將有望成為趨勢。對于QKD問題的剖析，應該分辨科學研究、工程研制和應用探求3個不同層面，以利于業界各方明晰技術和應用現況，定位存在的問題和困局，以及闡述未來的發展趨勢。
5.1科研層面
2020年5月，中國科學技術學院在全球化學學領域的頂尖刊物《現代數學評論》發表QKD短篇綜述論文[16]，全面回顧了QKD研究歷程、關鍵技術和重要成果，并從學術界視角回應了關于QKD技術的10個疑惑。文中觀點也代表了QKD學術界的主流見解，覺得當前QKD技術面臨的指責與問題，在技術層面都可以有解決方案，但是相關研究都在推動，未來可進一步建立和提高。
對于QKD科研層面問題，學術界多年來已有大量研究成果和文獻報導，前沿研究和試驗探求也在蓬勃發展，科學家強調的未來可期絕非虛言。但同時也要聽到，科研層面討論的雙場（TF）和檢測設備無關（MDI）等新型合同系統，量子儲存和量子中繼等技術方向，在短期內沒有明晰的商用化或實用化前景，并不能馬上用于解決當前面臨的工程和應用困局。一方面，產業界不能以工程和應用中存在的問題來否定QKD領域的科學共識和科研成果；另一方面，學術界恐也無法科研論文的發表來回應工程和應用中面臨的現實問題。
5.2工程層面
在QKD設備研制和布署的工程層面，當前QKD和量子保密通訊系統的工程化現況主要是商用QKD系統的現網光纖傳輸距離百公里以內，秘鑰成分辨率約為10kbit/s量級，系統設備工程化水平仍有較大提高空間。商用QKD網路基于可信中繼節點實現QKD秘鑰儲存管理，通過秘鑰路由和加密調度實現端到端秘鑰生成和提供。商用加密設備采用QKD秘鑰或中繼秘鑰，結合國密/商密對稱加密算法，實現傳輸信道加密，支持的加密信道業務容量可達Gbit/s量級。
量子保密通訊系統和網路的工程化問題主要是，QKD在合同設計層面，以犧牲訊號傳輸的魯棒性來換取秘鑰生成的安全性中國量子通訊最新進展，這一特點對QKD系統性能指標和工程化水平的提高產生了阻礙。商用化的QKD均采用制備-檢測系統方案，發射機和接收機的現實安全性須要研究和驗證，目前相關測評正在組織舉辦。商用QKD系統秘鑰速度有限，高速率等級通訊業務無法采用“一次一密”加密，量子保密通訊系統無法達到信息論可證明安全性。QKD網路可信中繼節點的安全防護要求和相關標準規范目前仍未完全明晰，“短板效應”降低了量子保密通訊網路的整體安全性。
現階段的商用QKD和量子保密通訊系統，其工程化水平雖已達到“可用”，但距離“好用”仍有較大提高空間。進一步突破和解決系統與網路工程實踐中面臨的困局問題，是QKD和量子保密通訊技術完成科學研究、試驗開發、推廣應用的五級跳，真正實現創新價值的必要前提和必由之路。目前，我國QKD和量子保密通訊示范應用項目和試驗網路建設的數目和規模早已全球領先，下一步解決工程層面的問題更需產業公司“打鐵自身硬”。據悉，解決工程層面的問題，也須要量子化學、信息安全和網路通訊等各領域匯聚共識，產生合力，多方共同推進。
5.3應用層面
在QKD和量子保密通訊應用和產業發展層面，基于QKD的量子保密通訊在全球舉辦多項試驗網路建設和試點應用，我國在項目數目、網絡建設和投資規模方面處于領先。包括基礎研究、設備研發、網建運維、加密應用在內的量子保密通訊產業鏈基本產生，但產業規模和發展速率較為有限。量子保密通訊的應用探求已超過10年，主要發展模式為公共研究資金支持和政府類項目投入，市場化內生下降動力較弱，商用化推廣成果較少，社會經濟效益難言非常明顯。量子保密通訊在標準研發、型號準入和測評認證等方面的工作進展較為平緩，也成為在高安全需求領域應用的困局之一。
量子保密通訊才能提高信息安全防護能力，在符合應用場景需求和管理準入條件的前提下，可在高安全需求領域的專用網路率先舉辦應用探求。量子保密通訊的應用推廣，須要破解在高安全需求領域“不敢用”和通常安全需求領域“用不起”的兩難窘境。量子保密通訊產業化發展須要科研開發支撐、應用場景開拓、標準規范引導和測評認證保障等各方協同推進。基于當前的量子保密通訊商用化解決方案，進行規模化網路建設的決策應按照應用場景的實際需求，廣泛聽取各方意見，充分論證，穩當施行。
6結束語
基于量子秘鑰分發的量子保密通訊是量子通訊領域目前步入實用化階段的技術分支，近些年來科研領域持續保持活躍，相關研究成果不斷涌現，應用和產業化探求進一步舉辦，各方應用觀點與意見仍未統一。我國量子保密通訊技術研究與應用探求具備良好實踐基礎，面對相關問題困局，產學研用各方進一步匯聚共識，協同推進探求破解之道，未來有望提高工程化和實用化水平，促使技術應用和產業健康有序發展。
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