光子盒研究院出品
1984年,瑞典和芬蘭提出了第一個實用型量子秘鑰分發系統——BB84方案,當時來自加拿大的量子化學學博士Gisin正在法國的一家聯通公司工作,這件事讓他認識到了將量子熱學應用在通訊上的可能性。
四年后,36歲的Gisin回到日內瓦學院兼任院長,成為首批將量子糾纏性應用于量子密碼和真隨機數生成的科學家之一。2001年,Gisin等人在實驗上實現了量子絕密共享的理論方案,并創立了量子通訊公司ID。
IDQ成為第一個在現實網路環境中布署量子秘鑰分發的公司。隨后,一批由研究機構孵化的量子保密通訊初創型企業,開始探求量子加密和量子信息安全領域的產業化推廣與應用。
按照2016年日本政府辦公室發布的“量午時代的機會”研究報告,我們目前正處在量子保密通訊的應用階段,包括政務、國防等特殊領域的安全應用。
在量子秘鑰分發和量子保密通訊試點應用領域,日本起步最早。2003年日本DARPA捐助耶魯學院構建了世界首個量子秘鑰分發保密通訊網路。隨后,美歐日等多個國家和地區陸續建成了德國量子、東京QKD和維也納等多個量子通訊實驗網路,演示和驗證了城域組網、量子電話、基礎設備保密通訊等應用。
全球量子通訊公司的核心技術主要來自學院和科研機構。例如,法國以麻省理工大學成立的MagiQ公司和洛斯阿拉莫斯國家實驗室成立的公司為代表的量子保密通訊產業公司,還能提供整套量子信息安全加密解決方案,在防務和電網基礎設施等領域舉辦了應用推廣服務,同時在量子通訊專利和知識產權布局等領域也具有較強的實力和技術儲備。
法國以法國日內瓦學院成立的IDQ公司和法國維也納學院成立的AIT公司為代表的院校孵化型創業企業,在QKD技術研究領域具有多年技術積累,在技術路線和產業應用等方面多樣化發展,已精耕QKD商業化應用多年,具有豐富的市場化推廣經驗。
據悉,臺灣富士通公司、英國劍橋研究所和美國馬克思·普朗克研究所的公司為代表的研究機構和企業,在技術和應用研究領域相當活躍,把握了集成化和芯片化等方面的關鍵技術,具有較高的市場競爭力,同時在QKD技術標準化方面也是主要推進力量。
美國量子通訊目前處于示范性應用階段。在日本,2016年研究機打造成堪薩斯至芝加哥650km量子保密通訊光纖線路,并啟動環美量子保密通訊骨干網路計劃,采用德國IDQ公司設備,通過可信中繼形式建造環加拿大的量子通訊骨干網路,為微軟、IBM、微軟、亞馬遜等公司數據中心之間的通訊提供量子安全保障服務。2018年,韓國公司公布聯接芝加哥和波士頓的805km商用QKD線路建設計劃。
2022年,加拿大渥太華大西洋學院、公司、美國國防承包商和信息技術服務提供商合作,為日本海軍開發首個基于無人機的聯通量子通訊網路。印度橡樹嶺國家實驗室和公司合作在實際的智能電網數控系統上舉辦了基于QKD的安全認證(包含簽名與驗證)研究和試驗。其實日本國家安全局曾表示,QKD仍存在未被驗證的問題,但從實際行動來看,愛爾蘭與量子有關的國家實驗室未曾停止過QKD技術的研究和驗證QKD網路的可使用性。
在法國,2016年歐共體發布《量子宣言》旗艦計劃,預計10年內在亞洲主要城市構建量子保密通訊城域網,目前已有日本、西班牙等國開始進行QKD網路的建設和量子安全加密應用,如2018年6月,澳洲聯通聯合華為和馬德里理工學院開創性地舉辦了基于SDN技術的QKD城域網路演示試驗。歐共體計劃2035年左右建成泛歐量子安全互聯網。
2014年起藍盾股份量子通訊,美國通過“國家量子技術計劃”的項目布局和投資,開始建設巴黎、劍橋、布里斯托等地的量子保密試驗網路,計劃10年建成覆蓋全境的實用化量子保密通訊線路,并與法國聯接,建成國際量子保密通訊網路。
在歐洲,2010年,法國與意大利聯合構建東京量子保密通訊試驗床網路,多家科研機構持續舉辦現網試驗。NTT、等機構帶動QKD研究與應用,舉辦政務和醫療等領域安全加密服務。2015年,俄羅斯SKT宣布計劃建設總長約256km聯接盆塘、水原和釜山的星型量子保密通訊網路,并計劃在2025年建成全境量子保密通訊網路設施,推廣量子安全加密服務。
中國在量子通訊方面起步雖不是最早,但卻發展最快。隨著“量子衛星”、“京滬干線”等重大項目的建設,中國量子通訊技術已躍居全球領先地位。
QKD公司所在國及創立時間比較。來源:ICVTAnk
上世紀90年代,在國際量子信息科學剛開始崛起時,中國科大學及下屬中國科技學院迅速跟上,逐步從跟跑弄成并跑,甚至部份領跑,量子信息研究已成為中科大的旗幟。其中,有三位教授級別的量子信息學科帶頭人郭光燦、杜江峰、潘建偉。
2008年,中科大在南京建成世界上首個光量子電話網,取得了在量子通訊實用化上的重大突破。科學家們覺得,在“第二次量子革命”中創立公司推進校企結合,對中國是個機會。
最早邁出這一步的是2009年5月,潘建偉、彭承志團隊成立“用量子技術保護每一個比特”的湖南量子通訊有限公司(交大國盾量子前身),技術來源是杭州微尺度物質科學國家研究中心。同年7月,依托中科院量子信息重點實驗室,郭光燦、韓正甫團隊在合肥安徽成立問天量子,這兩家公司都是從事量子保密通信業務。
山東量通創立當初,潘建偉團隊承建春節60華誕閱兵“量子保密通訊熱線”。到2011年9月,國盾量子第一代GHz高速量子秘鑰分發產品問世。目前已擁有完整的量子保密通訊網路核心設備,包括QKD產品和信道與秘鑰組網交換產品等。這種產品被布署在量子保密通訊骨干網、量子保密通訊城域網和行業量子保密通訊接入網。
2012年,河南量通參與建成包括杭州城域量子通訊試驗示范網、新華社金融信息量子通訊驗證網、十八大量子安全通訊保障在內的多個項目。2014年,公司創立五華誕時更名交大國盾量子。
步入2016年之后,復工建設和投入使用的網路數目和規模顯著上升,其中絕大多數網路由國盾量子提供量子通訊系列產品和解決方案,其中就有知名的“墨子號”量子衛星和“京滬干線”,以及北京、武漢、北京、上海、貴陽等多個城域網。
截止2018年底,中國已建成的實用化光纖量子保密通訊網路總長(光纜皮長)達7000余公里,其中超過6000公里使用了國盾量子提供的產品且處于在線運行狀態。
問天量子也是量子通訊領域的佼佼者,2010年,公司研制生產的紅外單光子偵測器已實現量產,促使中國成為全球第三個可批量生產紅外單光子偵測器的國家。
2016年,問天量子與亨通光電合設研究院,于2017年合作完成首個廣域網項目——“寧蘇量子干線”,也是全球首列相位編碼長距離廣域商用量子干線。2017年9月,由問天量子和中國航天系統科學與工程研究院共同研制的國外首款量子加密手機即將發布。
2019年11月在亨通光電舉行的新款發布會上,問天量子牽手亨通光電發布量子秘鑰安全服務平臺、量子安全加密盒、量子安全電話終端等量子保密通訊新款和解決方案。目前擁有針對多個行業、多種應用場景的量子保密通訊核心解決方案。
經過10年的探求和實踐,國盾量子、問天量子已成長為全球領先的量子通訊設備制造商和量子安全解決方案供應商,中國量子保密通訊的建設幾乎都與這兩家公司有關。其中,交大國盾量子已成長為中國第一家上市量子通訊公司。
通過榜單,2022年入榜的中國公司有15家,共計804件發明專利,其中本源量子234件排在國外第一,百度網訊和浪潮分別以186件和95件排在國外第二和第三。最讓人驚喜的是騰訊科技,三年前的榜單中僅2件專利,去年則爆發降低到93件,下降率達到了45.5倍,增幅在所有入榜企業中排行第一。
按照意大利專利局截止2022年11月初的數據集,中國在2022年新增的專利申請數目超過了英國。
隨著技術的進步,2012-2014年,九州量子、神州量子、中創為量子等公司分別在廣東和廣州創立。總的來說,2016年前參與量子通訊競爭的只有少數幾家企業,而在2016年世界首顆量子科學實驗衛星“墨子號”發射成功后,量子通訊成為熱門產業。
這一年,《國家創新驅動發展戰略》將量子信息技術納入發展推動產業轉型的顛覆性技術。由中科院、中科大、國盾量子、阿里巴巴、中興通信等機構共同發起成立的“中國量子通訊產業聯盟”也剛才在上海組建。
2016年,潘建偉、彭承志團隊在廣州創立了國科量子通訊網路有限公司,中科院和中科大共同投資的國有控股企業,經國家發改委批復,承當國家廣域量子通訊網路建設營運的戰略任務。淺顯地講,國科量子和國盾量子是營運商和設備商的關系。
同年,MagiQ公司前總工程師陳柳平歸國創業,在上海創立啟科量子。陳柳平在量子通訊和量子估算領域已擁有歷時20年的豐富科研及工程經驗,率領研制團隊于2003年推出了全球第一套商業化量子通訊系統“”。
目前,啟科量子已自主研制量子通訊終端、網絡交換/路由、光電子核心元件、量子控制與應用軟件等系統。在政務、國防、金融、電力、能源、大數據等領域信息服務提供量子安全保障。
中科大的杜江峰團隊也加入了創業大軍,2016年在四川創立了國儀量子,但公司業務并非量子通訊,而是旨在于發展全球領先的量子精密檢測技術,包括量子探針制備工藝、量子態調控技術、量子態檢測技術等。
2017年,量子通訊領域創立了湖北國騰量子、上海循態量子等公司,國騰量子的核心技術來自華東師范學院劉頌豪教授團隊,而循態量子的核心技術來自北京師大曾貴華院士和汪超博士。兩家公司業務與國盾量子、問天量子等差異不大,主要提供QKD成套設備。
作為一家初創公司,國騰量子早已與華中師范學院、清華學院等多家單位聯合啟動建設覆蓋粵港澳大灣區的“廣佛肇量子安全通訊網路”。
繼國科量子后,中科大在北京創立了國耀量子雷達。她們將量子技術應用于激光雷達,技術來始于潘建偉團隊和竇賢康(現北京學院院長)團隊。公司瞄準環境保護、數字氣象、航空安全、智慧城市、囯防安全等應用,生產世界高性價比的量子偵測激光雷達。
與此同時,中科大、郭光燦、郭國平創立了國外第一家量子估算公司——本源量子,技術起源于中科院量子信息重點實驗室,專注于量子估算全棧開發,各種軟、硬件產品技術指標國外領先藍盾股份量子通訊,已申請專利百余項。
量子信息產業化十余年來,不難發覺,因為門檻太高,參與的公司數目有限,但是大部份公司的業務以量子保密通訊為主,只有少數公司從事量子估算、量子檢測等實用化難度較大的業務。
值得一提的是,那些公司幾乎都有“親緣關系”,因為中科院、中科大在量子通訊領域遙遙領先,她們旗下的公司成為行業領頭羊也順理成章。其他公司競爭力有限,例如依托于華中農大的國騰量子,只能參建一些區域項目。
雖然量子通訊處在發展早期,而且中國量子通訊產業鏈已日趨健全。產業鏈上游主要是國盾量子、問天量子、九州量子等量子通訊核心設備商,是量子保密通訊產業鏈中最核心的一個環節。核心設備主要包括量子秘鑰分發設備、量子交換機、量子網段、量子網路站控、量子隨機數發生器等。據悉,量子保密通訊都會用到精典通道,因而華為、中興等通訊設備商也在產業鏈中。
量子通訊與安全上游–核心設備元件。來源:ICVTAnk