全球量子保密通信网络建设进展

 

摘要：当前，量子科技突飞猛进、应用逐步成熟、国际竞争加剧，正处在产业规模发展的关键时点。量子保密通信网络是基于量子密钥分发技术的基础设施，可以实现量子保密通信以应对量子计算所带来的信息安全威胁。基于此，通过梳理国内外光纤量子保密通信网络、量子卫星等建设进展，分析全球主要经济体的量子保密通信网络布局策略，提出面对量子科技国际竞争环境的未来发展建议。

 

引言

 

随着量子计算技术的快速发展，传统加密算法所面临的安全挑战日益严峻，对我国的信息安全构成现实威胁。基于量子密钥分发（Quantum Key Distribution， QKD）技术的量子保密通信网络作为可以提供量子保密通信服务的核心基础设施，凭借其原理上的信息论安全能力^[1-3]，能够为政务、金融、能源、交通等重点领域提供抗量子计算攻击的密码安全保障，对维护国家经济和信息安全具有重要意义。

 

目前，多个国家和地区陆续加快制定策略以应对Q-Day（指量子计算攻破现有加密体系的时刻）的到来^[4]。为更好洞察国际环境，把握宏观发展趋势，本文聚焦于各国量子保密通信网络建设情况，梳理未来发展规划，为我国在量子保密通信网络建设方面提供参考。

 

1  量子保密通信网络的基本概念

 

凭借量子力学的特性，基于QKD的量子保密通信网络可以在经典通信辅助下实现密钥分发，支持高安全性的量子保密通信。现阶段，基于可信中继方案的QKD组网架构已经被广泛用于实用量子保密通信网络的部署^[5]。如图1所示，该网络由用户终端、枢纽、中继等节点，光纤链路以及QKD网络控制器和管理器等组成基本架构，并通过接口向用户提供一次一密的密码服务^[6]。此外，密码资源池的引入可以更加有效地管理QKD网络中的密钥资源，在平衡密钥安全性和利用效率之间获得较好的效果^[7]。

 

 

图1   QKD网络基本架构[6]

 

近年来，量子保密通信网络建设取得诸多进展，逐步从试点示范走向规模应用，但仍然面临一些挑战。为解决远距离通信损耗高、地面网络覆盖范围有限等问题，在量子存储、量子中继还未成熟的技术条件下，将量子卫星作为特殊的中继节点有望突破远距离传输“瓶颈”^[8]，成为探索广域组网和灵活应用的重要方向，将推动量子保密通信网络逐步沿着“城域—城际—天地一体”的路线发展^[9]，向着实现全球范围广泛互联的量子保密通信网络演进。

 

2  全球量子保密通信网络的整体情况

 

量子保密通信网络逐步从单个试验性网络向广域网络方向演进，相关市场需求潜力逐渐显现。根据美国市场调研机构MarketsandMarketsTM的《量子通信市场》报告分析（见图2），量子保密通信网络建设所需的软硬件组件和解决方案需求将在未来5年内保持30%~40%的高速增长，到2030年预计全球市场规模将超过170亿元人民币^[10]。

 

 

图2   全球量子保密通信网络建设规模预测[10]

 

近年来，多个国家和地区建设了光纤量子保密通信网络测试平台（见表1），在真实应用场景中对相关技术和设备进行测试和完善，为其商业化及广泛应用奠定了基础。当前，部分量子保密通信网络已突破工程应用初期阶段，逐步进入大规模部署和商业化运营探索阶段，多个国家和地区在前期关键技术验证工作的基础上，部署推进城域量子保密通信网络的建设。

 

表1   近年国外光纤量子保密通信网络建设情况[11-19]

 

 

量子卫星作为量子保密通信广域网络的关键补充，通过在不同地面站之间搭建起星地量子保密通信链路，构建广域量子保密通信服务能力。当前，全球多个国家和地区正积极推进量子保密通信卫星或载荷的技术验证工作，在卫星设计、星地链路搭建上取得了一些成果，但已发射的卫星数量相对有限（见表2）。未来这些国家和地区将持续致力于在小型化、全天时、密钥量、成本等关键维度上提升量子卫星的性能和可用性；同时，通过探索星间链路技术实现中高轨卫星与低轨卫星的协同配合，最终在全球范围提供QKD服务。

 

表2   已经发射或提出计划的量子保密通信卫星或载荷[20-28]

 

 

注：U为卫星体积单位，1 U等于1 000 cm3，重量一般不超过1.33 kg。

 

此外，凭借灵活、高机动性等特点，部分科学家正探索将无人机、预警机、无人驾驶车辆等平台作为QKD载体，支撑移动终端直接通过量子信道接入量子保密通信网络，实现QKD技术覆盖端到端过程中的“最后一公里”^[29]。然而，此类量子保密通信技术尚处于基础研究阶段，由于其成本、稳定性以及空域管理等限制，其商业化道路充满挑战。

 

3  主要经济体的量子保密通信网络建设进展

 

3.1  中国：前瞻布局，领跑全球

 

我国是世界上较早大规模部署量子保密通信网络的国家，在技术上多次创造纪录，在产业规模上取得一定成效，工程应用能力覆盖地面网络和量子卫星等量子新型安全基础设施各个环节。如我国科学家实现了1 002 km无中继光纤量子密钥分发，刷新无中继远距离分发的世界纪录^[30]；实现115.8 Mbit/s@10 km的实时量子密钥分发，将此前的成码率纪录提升一个数量级^[31]；基于商用激光器的高性能模式配对量子密钥分发（Mode-Pairing QKD， MP-QKD）系统，实现了无中继传输距离界限的突破，验证了使用具有成本效益的商用技术实现MP-QKD的可行性^[32]。

 

光纤量子保密通信网络方面，依托国家广域量子通信骨干网络等项目，2017年9月正式开通量子保密通信干线“京沪干线”，实现了基于可信中继方案远距离的量子安全密钥分发；苏宁干线、沪杭干线、齐鲁干线、武合干线等量子骨干网络建成落地，总里程数超过12 000 km，可服务全国17个省市约80个城市[33]；中国电信发布融合QKD和后量子密码（Post-Quantum Cryptography， PQC）的分布式密码体系（如图3所示），并将其应用到上海、北京、合肥等16个城市量子城域网建设中，初步形成全国纵横相连、跨域互通的服务能力，构建全球领先的量子安全能力底座^[34]。

 

 

图3   应用于量子保密通信网络建设的分布式密码系统

 

量子卫星方面，依托“墨子号”和“济南一号”两颗量子科学实验卫星的成功发射与稳定运行，我国在量子卫星技术领域持续取得重大进展。“墨子号”实现了千公里级星地量子密钥分发、千公里级地星量子隐形传态、天地一体化量子通信网络演示等验证^[8,35-36]；“济南一号”进一步攻关低成本小型化量子密钥分发技术、实时密钥提取技术等技术，实现基于卫星中继的12 900 km长距离量子密钥分发，助推我国在全球量子卫星领域处于领先地位，初步具备商业化运营的技术条件^[9]。

 

未来，我国预计将进一步发射多颗量子保密通信微纳卫星^[27]，相互配合组成量子星座，并与基于光纤的量子保密通信网络相结合，以构建广域天地一体化的量子通信网络，对拓展量子保密通信的应用和服务范围、维护国家信息安全具有重要意义。

 

3.2  欧盟：统筹合作，追赶提速

 

欧盟是量子保密通信网络建设的重地。欧盟于2019年启动欧洲量子通信基础设施（European Quantum Communication Infrastructure，EuroQCI）项目（欧洲建设量子保密通信网络的纲领性计划），旨在联合27个欧盟成员国和欧洲航天局，共同设计、开发和部署一体化的量子保密通信网络^[37]。该项目地面网络部分由各成员国负责实施，比利时、荷兰、保加利亚、爱尔兰、西班牙、法国、丹麦等多个国家和地区的部分设施已投入使用（见表1）。未来，EuroQCI项目计划连接不同国家和地区间的光纤量子保密通信网络，构建起全欧洲范围、跨域互通的量子保密通信网络，并为全欧洲的政府机构、数据中心、医院、能源网等提供量子安全保密服务。

 

欧洲量子保密通信网络的量子卫星部分由欧洲航天局负责开发，其卫星EAGLE-1仍在开发阶段，将为欧盟成员国实现天基QKD的早期访问、验证和集成。众多卫星公司和量子科技公司正参与EAGLE-1卫星发射前工作，其中卢森堡SES公司将牵头发射和运营工作，瑞士IDQ公司已参与协助开发星地量子密钥分发系统，空客公司则负责其地面站的设计和建造^[26]。此外，德国于2024年独立通过SpaceX猎鹰9号发射了微型立方体卫星Qube，用以探索量子卫星通信链路构建和量子密钥的生成与分发，为未来更复杂的量子卫星任务和应用奠定基础^[23]。

 

下一步，欧盟将在2026年底前完成地面网络的技术验证，随后通过两年时间（2027—2028年）实现各成员国间的量子地面网络互联，并同步进行测试和验证（见图4）。预计到2028年后，EuroQCI将正式进入全面运营阶段。在空间部分，欧洲航天局计划于2025年发射EAGLE-1，并在2028年根据其试验结果，依托安全和加密技术任务（Security and cryptoGrAphic mission， SAGA）逐步推进量子星座的部署，构建可覆盖全欧洲的量子保密通信卫星系统^[38]。

 

 

图4   EuroQCI项目关键时间节点

 

3.3  韩国：集中优势，统筹规划

 

近年来，韩国在全国性QKD网络建设和应用上取得了明显进展，其中最具有代表性的是国家级QKD网络的建设和应用。2022年6月，瑞士IDQ公司（已被韩国SK电信收购）和SK宽带公司在原有分散独立的QKD网络基础上，共同建成了量子保密通信网络。如图5所示，该QKD网络投资额约为3亿元人民币，总里程数达到800 km，由27个QKD链路、10个可信中继和一条骨干网络构成，通过部署密钥管理、配置和监控系统（IDQ的Clarion KX平台）实现QKD网络上任意两点之间的实时协调和密钥同步，并为就业劳动部、经济财政部、教育部和地方政府等政府机构提供量子安全服务，并拟在医学、工业等领域开展应用。下一步，韩国政府将延长QKD骨干网络至东南地区，总里程数达到2 000 km，并最终为韩国通信提供全面保护^[15]。

 

 

图5   韩国建成800 km的QKD网络

 

3.4  新加坡：产研合作，有序推进

 

近年来，新加坡全力加速在QKD领域的布局，涵盖了技术研发、战略规划、国际合作以及基础设施建设等多个方面。2022年，新加坡启动国家量子安全网络（National Quantum-Safe Network， NQSN）项目，由新加坡国立大学牵头，计划投资约数千万元人民币，搭建一个连接政府、学术界和企业用户的全国性QKD网络试验平台（含PQC技术验证）。网络的中心节点与跨越新加坡全岛的远程节点相连，形成自东向西的星型布局（见图6）。整个网络由四个逻辑层构成，分别为量子层、密钥管理层、网络管理层和应用层^[39]。

 

 

图6   NQSN星状QKD网络（规划）

 

在NQSN成功试验量子安全网络相关技术后，新加坡于2024年启动了商用量子安全网络基础设施NQSN+的建设。NQSN+网络由新加坡电信和SPTel两家运营商负责光纤网络的建设并提供安全通信服务，由SpeQtral和IDQ提供QKD设备和密钥管理平台，同时研究PQC在该网络软件升级等方面的融合应用。该项目计划到2030年完成，将在全国范围内提供商用量子安全通信服务^[14]。

 

3.5  美国：持续投入，多线并进

 

美国是较早布局量子保密通信网络的国家之一。早在2003年，美国国防高级研究计划局（Defense Advanced Research Projects Agency， DARPA）建成了传输距离为10 km的QKD实验网络^[41]。2018年，美国Quantum Xchange公司宣布通过单根光纤构建总长805 km的州际量子安全网络Phio，正进一步建设总长约1 000 km的“量子走廊”^[42]。2020年，美国芝加哥大学和日本东芝公司合作，牵头拓展芝加哥量子城域网，使其网络总里程达到200 km，成为公共可用的量子安全技术测试平台^[11]。2022年，美国EPB联手美国Qubitekk公司推出EPB商业量子网络^[12]。2023年，美国DARPA启动了量子增强网络项目，计划开发混合量子和经典通信网络架构，将量子网络基础设施与现有数字基础设施和网络协议结合起来^[43]。

 

从长期来看，美国十分重视量子互联网技术研究。如图7所示，根据美国能源部制定的《量子互联网国家战略蓝图》，美国规划了长期量子互联网络行动路线，现阶段已完成里程碑3的量子纠缠分发试验，分发距离达到20 km^[44]（2024年我国将量子纠缠网络距离提升至几十千米^[45]），但主要为单个创新主体所建设的试验性网络，采用设备、工程建设、网络应用方面各不相同。除政府投资外，仅少数美国企业宣布了相关目标，如波音公司宣布计划在2026年发射的Q4S卫星上进行量子通信实验^[46]。值得注意的是，《量子网络：增强美国领导力的发现与建议》同样提到“开发新的机制，通过促进与国际盟友和合作伙伴的合作以加快美国的研发进程”^[47]。

 

 

图7   量子互联网基础设施路线图

 

3.6  加拿大：因地制宜，差异竞争

 

加拿大是量子保密通信领域的有力竞争者。由于地广人稀、人口分布不均等特征，通过铺设地面光纤构建量子保密通信网络的利用率较低、运维成本高，因此在推进全国性量子保密通信网络建设时，量子卫星系统的建设优先级高。《国家量子战略》《量子2030》^[48-49]等国家或部门级量子相关战略均未提出在地面网络方面的具体目标，仅提到要建设一个与PQC相结合的国家量子保密通信网络，因此本文主要分析量子卫星方面。

 

量子通信QEYSSat2.0项目是加拿大推进全国性量子保密通信基础设施建设的核心项目（见图8）。QEYSSat2.0项目计划将通过十年时间，在单颗卫星上对一系列相关技术进行集中验证，包括但不限于地面站研究、量子链路和自由空间QKD演示、相对论环境下的纠缠、水下量子保密通信探索等^[50]，是推动建设全国性量子安全基础设施的关键。然而，该项目的发射计划已经推迟至2026年，进展相对较为缓慢，预计在2030年之后才进入多颗量子保密通信卫星的运营阶段。

 

 

图8   QEYSSat 2.0项目[50]

 

4  对我国量子科技和产业发展的启示

 

随着新一代信息通信技术的演进发展，我国已形成网络、算力和新技术基础设施全面发展的格局，以量子保密通信网络为代表的量子信息基础设施，将成为新型数字信息基础设施的重要组成部分和维护数字安全的重要保障。因此，本文提出如下3点建议。

 

一是加强量子保密通信技术攻关力度。我国已经具备在量子保密通信领域的技术优势，全力提升原始创新能力对巩固我国领先地位至关重要。建议持续攻关关键材料、元器件及高端仪器等，推动QKD设备向高码率、远距离、低成本方向升级。同时，加快PQC算法的研发和标准化工作，推动PQC与QKD的融合应用，为国家信息安全提供“双重保障”；聚焦量子中继、量子隐形传态等前瞻性研究，为未来升级量子互联网奠定基础。

 

二是统筹量子保密通信网络建设。量子保密通信网络可为全国重点城市及境外工作机构提供量子密钥分发服务，是实现量子保密通信技术大规模应用的前置条件。建议结合技术产品成熟度、信息安全防护需求、建设运维条件与成本收益等综合评估，统筹谋划和推动量子城域网、量子骨干网和量子星座等重大项目工程建设，构建天地一体、纵横相连、跨域互通的量子密码服务底座。

 

三是探索量子保密通信产品融合应用。量子保密通信产业高质量发展关键在于探索融合加密应用场景，拓展商业化应用空间，形成市场化内生发展动力，对我国量子保密通信产业发展具有重要意义。建议进一步探索金融、能源、交通等高安全性需求专网领域的量子保密通信融合应用场景，形成一批应用示范标杆并面向全国推广。

 

5  结束语

 

当前我国量子保密通信领域已经逐步进入通过规模应用促进产业成熟的新阶段。量子保密通信网络作为量子保密通信的基础设施，已成为各国和地区加速布局的重要领域。加快推动技术产品研发、开展融合加密应用探索，建设天地一体的广域量子保密通信网络，有利于加速量子科技成果规模应用，维持我国在量子保密通信领域的优势地位，构建捍卫国家经济和信息安全的“重要防线”。

 

作者：张剑霄，罗启明，吴畅；来源：信息通讯技术与政策