近期，中國科研團隊在國際上首次實現量子微納衛星與小型可移動地面站之間的實時星地量子密鑰分發（QKD），并在中國和南非之間相隔12900多公里的地面站之間成功建立量子密鑰，演示了對圖片的“一次一密”加密傳輸，該成果是驗證全球量子保密通信網絡技術可行性的又一里程碑，并在《自然》雜志發表后引發了關于量子通信發展進程的熱議和暢想。那么，量子通信距離實現規模化應用，服務日常生活的愿景還有多遠？作為量子信息產業化“從0到1”的見證者與推動者，接下來主要從基礎技術攻關、網絡工程建設、規范行業應用等方面進行分析。
量子通信需要走進日常生活
在討論量子通信何時能實現大規模應用之前，我們不妨先思考一個問題：為什么它需要走進日常生活？隨著信息技術的發展，社會生產力不斷提升，生活方式持續變革，信息社會的內涵日益豐富。物聯網等技術正不斷拓展信息采集范圍，信息處理的匯聚規模與關聯模式不斷增加。未來，智能系統或將根據個人生理狀態、生活環境、基因數據、醫療記錄和消費習慣，自動安排衣食住行；生產系統也可協助設計圖紙，遠程指揮工廠加工，并由無人機完成配送。然而，這些技術只有在安全可控的前提下才不會成為“雙刃劍”。面對信息應用向生產生活的深度滲透，我們需要前所未有的強大安全體系，而量子通信正是構建這一體系的關鍵支撐技術。
比如量子通信能夠對信息采集實施傳輸保護、信息處理實施存儲保護、信息應用實施訪問保護，部署形態上實現個人終端到應用系統再到基礎設施的全域覆蓋，管理調度上適應動態——長期與定點——跨域等機制。但要實現上述安全能力，量子通信需具備小型化設備，便于部署在生產生活一線，以貼身保護信息的源頭發送與末端接收安全；建設覆蓋全國、跨域連通、高帶寬的量子網絡，支撐隨時隨地接入和足量保障的密鑰供應需求；建立標準合規的應用服務與管理系統，確保各類業務中的密鑰調度與更新、數據分級保護等操作有序進行。當這些設施能夠以較低成本實現時，泛在化、普惠性的量子通信時代才真正到來。
從可用到好用，走向大規模應用的創新密碼
之所以說超萬公里星地量子通信成果是證明全球性量子保密通信網絡技術可行性的又一個里程碑，是因為此前我國已經取得了其他里程碑式成果。例如，我國量子保密通信“京滬干線”和“墨子號”量子科學實驗衛星率先實現“天地一體”；中國科研團隊基于雙場協議實現千公里光纖的無中繼量子密鑰分發；基于2.5GHz調制頻率的芯片和多通道超導探測系統，實現每秒100Mb帶寬的量子密鑰分發等世界紀錄。這些成果展示了“天地一體”“千公里”“百兆帶寬”“芯片”等關鍵技術突破，現在又見證了“萬公里”“微納衛星”“小型地面站”的實現。當距離、速度和小型化都具備了，距離最終愿景還差哪股“東風”呢？
答案是：還需要一些重要的技術迭代升級。當前的量子通信仍屬于由科研人員精心調試組合的前沿科學試驗系統，雖技術先進，但在穩定性、健壯性和集成度等方面距離工程化、實用化仍有差距。在實際應用中，量子通信終端只能在機房部署，衛星一次也只能保障單個地面站，無法滿足隨時隨地接入的實際要求。同時，相關試驗系統與設備的成本也較為高昂。因此，未來需要將量子通信各種部件轉化成自主可控、高性能、可量產的集成芯片。通過豐富集成芯片功能，或完善芯片工藝能力與設計適配的工藝方案等，提升量子設備可用性并大幅降低成本，從而形成技術與應用之間的良性循環。
滾動式網絡建設，構建大規模應用的現實基礎
如果說技術創新是實現量子通信大規模應用的前提，規模化網絡建設則是其落地的現實基礎。要實現隨時隨地接入并滿足足量的密鑰供應，必須依托一個覆蓋全國、跨區域連通、具備高帶寬能力的量子網絡。目前，我國已建成約12000公里的量子保密通信骨干網，覆蓋粵港澳、京津冀、長三角、成渝等重點區域；同時建有多個城域網，其中規模最大的合肥量子城域網已服務市區兩級500多家黨政機關；此外還有2顆在軌量子衛星。未來還需進一步織密城域網絡、擴展骨干網絡，擴大用戶接入規模；對已有網絡擴容升級，保障大量用戶接入后的帶寬需求；構建量子衛星星座，全時保障偏遠地區和移動平臺等光纖不可達的場景。
這意味著我們能夠在兼具低成本與高可用性的設備支持下，逐步推進量子網絡建設：從優先保障關鍵信息基礎設施領域，擴大到生產生活各個層面，實現泛在普惠的量子安全保障。這一過程也離不開對關鍵網絡技術的攻關試驗。例如，高性能的“量子——經典共纖傳輸技術”可用于節約寶貴的光纖資源；拓展移動應用技術用于支持“最后一公里”的靈活應用；異構組網技術用于打通不同服務區域、管控層級、設備規格的網絡等。
運營商將在其中起關鍵作用。目前，中國電信已根據業務需要首批選擇15座重點城市開展量子城域網建設。此外，還需要加快“量子星座”的建設。一方面，要突破星間／高軌量子通信距離，以及白天量子通信噪聲等關鍵技術難題。另一方面，若量子衛星的研制發射能與北斗衛星、高通量衛星、氣象衛星等其他航天工程協同開展，將能有效節約成本，提高建設效率。
標準化發展，夯實大規模應用的安全底座
實現量子通信的規模化應用，未來還需要標準合規的應用服務管理系統，以保障各類業務中的密鑰調度更新、數據分級保護等環節能夠嚴密且有序的進行。目前，量子通信領域已發布一系列通信行業標準，涵蓋從網絡架構到設備、器件等多個層面的技術要求。但由于密碼技術標準要求安全嚴密且慎之又慎，目前僅有I類量子設備的技術規范被納入密碼行業標準。要支撐大規模協同環境下的安全密碼系統構建與服務保障，未來需要研究制定既簡約可控，又能極大兼容技術發展與多元應用的標準。例如，可借鑒傳統密碼基礎設施的標準建設經驗，廣泛聯合設備廠商、網絡運營方和應用單位，在密碼標準委員會的指導下，共同研究制定量子密碼基礎設施的標準框架。同時，構建攻防靶場與測評平臺，對量子安全系統及其標準進行充分驗證，實現量子安全技術在理論、工程與應用之間的嚴密閉環。
我國在量子通信領域取得了一系列令世界矚目的創新成果，完成了從跟跑到領跑的歷史性飛躍。這些技術與產業的先發優勢，為實現大規模實用化的目標筑牢了根基。在此基礎上，未來仍需以芯片化為主線，綜合多項基礎能力，結合技術發展和需求程度滾動式建設網絡，打造量子密碼基礎設施標準體系。
路線和任務藍圖已基本清晰。未來，在國家“量子技術戰略”“未來產業新賽道”等規劃牽引下，將有更多力量加入。在產學研用管各方協同努力下，我國有望在日趨激烈的量子通信國際競爭中保持和擴大領先優勢，讓量子通信成為科技強國征程中的一張閃亮名片。
（作者系安徽省量子信息工程技術研究中心主任）
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