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量子通信:未来自主可控信息安全生态的重要保障

学习时报 · 2022-01-22 · 来源:学习时报官微
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  信息安全是事关国计民生的重大战略领域。传统的信息安全通过依赖于计算复杂度的加密算法来实现,然而随着计算能力的飞速发展,依赖于计算复杂度的传统加密算法面临着日益加剧的安全风险。

  基于量子密钥分发的量子保密通信是迄今唯一原理上无条件安全的通信方式。量子密钥分发是指利用量子态来加载信息,通过一定的协议产生密钥。量子力学基本原理保证了密钥的不可窃听,从而实现安全的量子保密通信。量子保密通信的安全性基于物理学基本原理,与计算复杂度无关,即使未来强大的量子计算机问世也不会对其安全性形成威胁。

  量子保密通信是最先走向实用化和产业化的量子信息技术。通过量子密钥分发所生成的安全密钥,除了原理上无条件安全的“一次一密”加密方式外,还可以与经典对称加密算法相结合,兼顾安全性与通信速率。例如,按照现有技术水平,量子密钥分发与AES(高级加密标准)加密算法相结合,可以达到Gbps(交换带宽)的通信速率,同时大幅提升种子密钥的更新率,有效提升通信安全水平。此外,也可与下一代的“PQC(抗量子计算密码)”相结合,增强身份认证等的安全性。

  广域量子通信的发展路线

  量子通信的发展目标是构建全球范围的广域量子通信网络体系。通过光纤实现城域量子通信网络,进而通过中继器实现邻近两个城市之间的连接,最终通过卫星平台的中转实现遥远区域之间的连接,是广域量子通信网络的发展路线。

  在城域量子通信网络方面,中国科学技术大学先后建成国际上首个全通型城域量子通信网络、首个量子政务网以及首个规模化城域量子通信网络,并在这一过程中将相关技术发展成熟,自主研制的量子保密通信装备已经为很多重要活动提供了信息安全保障。

  在基于可信中继的城际量子通信网络方面,国际上首条远距离光纤量子保密通信骨干网“京沪干线”,于2016年底全线贯通。干线全长2000余公里,连接北京和上海,贯穿济南、合肥等地。在沿线金融、政务、电力等部门的合作下,开展远距离量子保密通信的技术验证与应用示范。在“京沪干线”应用示范的基础上,国家发展改革委于2018年2月批复了“国家广域量子保密通信骨干网络”项目,将覆盖京津冀、长三角、粤港澳、成渝等重要区域,推动量子保密通信的规模化应用。

  在星地自由空间量子通信方面,在中国科学院的支持下,中国科学技术大学联合中科院上海技术物理研究所、微小卫星创新研究院等单位,研制成功世界上首颗量子科学实验卫星“墨子号”。“墨子号”于2016年8月发射升空,在国际上率先实现了星地量子通信,首次实现了距离达7600公里的洲际量子通信,充分验证了基于卫星平台实现全球化量子通信的可行性。利用“墨子号”积累的成功经验,量子卫星的研制成本已由数亿元降到千万元量级,预计2022年初小型化量子卫星将发射升空,为构建低成本的星群奠定基础。地面接收站的重量也已由十几吨降到100公斤左右,可初步支持移动量子通信。

  结合“墨子号”量子卫星与“京沪干线”,我国率先构建了天地一体化广域量子保密通信网络的雏形,成为近年来国际量子信息研究的一大标志性事件。

  量子通信技术应用推广

  2020年10月16日,中央政治局就量子科技研究和应用前景举行第二十四次集体学习,习近平总书记主持学习并指出,“统筹基础研究、前沿技术、工程技术研发,培育量子通信等战略性新兴产业,抢占量子科技国际竞争制高点,构筑发展新优势”。“京沪干线”和“墨子号”量子卫星等,都是基于我国前期,10余年的基础和应用研究成果而进行的工程化集成与验证项目,为核心器件的自主研发、相关应用标准的制定和未来规模化的应用起到了良好的示范效果,稳步推进了量子保密通信在商业和国家安全领域的应用。

  在核心量子通信器件方面,中国电子科技集团有限公司、中国科学技术大学、中科院上海微系统与信息技术研究所等实现了通信波段单光子探测器和量子随机数产生器等主要器件的初步国产化,打破了国外禁运的壁垒。在未来2至3年,通过关键器件的芯片化,量子加密设备的尺寸可缩小到手机大小,并大幅降低成本。

  相关应用标准制定方面,在我国50余家科研机构和企业的积极参与下,中国通信标准化协会、全国信息安全标准化技术委员会、密码行业标准化技术委员会等国家标准组织,围绕量子保密通信技术的互联互通、安全测评、应用服务等方面,编制了多项国家标准和行业标准。我国学者突破了美加等西方国家的阻碍,在国际电信联盟发起成立了国际首个涵盖量子信息全领域的标准化组织,目前正在牵头编制多项国际标准。

  量子通信技术发展前景

  近年来,我国学者在单光子雷达领域已取得了一批具有国际影响力的成果:突破了常温下探测红外单光子的量子效率极限,实现了远距离红外单光子大气雷达探测;实现了大气风场的昼夜连续探测,并创造了200公里的单光子成像最远距离世界纪录。同时,利用单光子雷达能够对隐藏在视线外的物体进行观测,即“非视域成像”,实现“隔墙观物”,在反恐防暴、紧急救援等领域具有广泛的应用前景;实现了远距离非视域成像,首次将成像距离从米级提高到公里级,极大地推动了非视域成像技术的实用化发展。量子通信研究中发展的单光子探测技术还可以极大地提升传统激光雷达的探测灵敏度、探测距离、分辨率等性能,即“单光子雷达”。单光子雷达可以实现对远距离、高精度软目标(大气)和硬目标(物体)的探测,已经在对地测绘、远程预警、全球态势感知、大气污染检测和预报、航空航天作业等领域发挥了重要作用。

  得益于我国率先开展了广域量子通信的技术验证与应用示范,网络技术已初步满足实用化要求,核心器件的国产化和设备的小型化已初步实现,具备了在关键部门先行先试的条件。在激烈的国际竞争环境下,当前正是我国加快推进量子保密通信应用,尽早形成信息安全非对称优势的最佳时机。通过10年左右的努力,我国有望构建完整的广域量子通信网络技术体系,为形成未来自主可控的国家信息安全生态提供重要保障。(作者:徐飞虎   彭承志   潘建伟)

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  文章刊载于《学习时报》2022年1月19日第6版

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