2023量子保密通信技术发展及应用前沿报告

量子保密通信技术发展及应用前沿报告（2022年）目录一、 研究概述 1二、全球发展态势 2（一）量子保密通信标准化进展 2ITU-T 2ISO/IEC 5ETSI 6IETF 8IEEE 8（二）世界主要国家量子通信发展情况 91.美国 92.欧盟 3.英国 134.日本 15（三）小结 17三、我国发展现状 17（一）我国政府积极推动量子保密通信发展 17（二）国内标准化进展 19（三）国内技术研究、试点验证及商用部署 23网络建设情况 23应用示范情况 25（四）小结 25四、技术预见 25（一）量子密钥分发技术 25（二）量子密钥分发组网技术 27（三）支持灵活组网的密钥中继路由技术 31（四）量子密钥分发与经典光通信共纤传输技术 32五、工程难题 33（一）QKD系统性能瓶颈限制其应用推广 33（二）33（三）安全方案未经过大范围验证 33（四）产业化尚处起步阶段，以需求为导向的发展动力不足 34（五）网络建设中建设成本较高，配套资源受限较大 34（六）其他工程挑战 35六、政策建议 35（一）技术政策建议 35网络建设 35应用试点 38（二）产业政策建议 41发展模式 41技术创新 43企业培育 44（三）政策保障建议 46组织保障 46政策保障 46人才保障 46金融保障 47PAGEPAGE10一、研究概述IBMBlueGene基于量子密钥分发（QuantumKeyDistribution，QKD）与经典对称密码算法相结合的量子保密通信技术是是量子通信领域中率先走安全性保障的保密通信方案。近期,全球主要国家和发达地区纷纷加快部署。本报告将研究汇总量子保密通信全球发展态势及我国发展现状，二、全球发展态势（一）量子保密通信标准化进展欧洲电信标准化协会（ETSI）早在2008年便启动量子密钥分发标准化工作。近年来，世界三大国际标准化组织——国际电信联盟（IT（IS（IEC均启动了量（IETF等专业性国际标准化组织也在开展量子保密通信的标准化工作。ITU-TITU-TICT事务标准化的联合国官方2018ITU-TQKDQKDQRNG架181。目前，ITU-TQKDITUSK、KT、LGU+IDQNICT、美国QAI联盟等。2018ITU提出设立“面向网络的量子信息技术”ETSI20199ITU推动设立“面向网络的量子信息技术”ITU5项研究报告。表1 ITUQKD标准项目标准缩写标准名称时间计划ITU-TSG13开展的12项QKD网络相关标准Y.3800支持量子密钥分发的网络框架FrameworkforNetworkstosupportingQuantumKeyDistribution2019年10月发布Y.3801量子密钥分发网络-功能需求FunctionalrequirementoftheQuantumKeyDistributionnetwork2020年5月发布Y.3802量子密钥分发网络-功能架构FunctionalarchitectureoftheQuantumKeyDistributionnetwork2020年7月工作组同意Y.3803量子密钥分发网络-密钥管理KeymanagementforQuantumKeyDistributionnetwork2020年7月工作组同意Y.3804量子密钥分发网络-控制与管理ControlandManagementforQuantumKeyDistributionNetworks2020年7月工作组同意Y.QKDN_SDNC量子密钥分发网络-软件定义网络控制SoftwareDefinedNetworkControlforQuantumKeyDistributionNetworks2021年9月计划结项标准缩写标准名称时间计划Y.QKDN_BM量子密钥分发网络-商业模型Businessrole-basedmodelsinQuantumKeyDistributionNetwork2021年3月计划结项Y.QKDN_fint量子密钥分发网络与安全网络基础设施融合框架Frameworkforintegrationof QKDNandnetworkinfrastructures2021年7月计划结项Y.QKDN-qos-req量子密钥分发网络-QoS保障要求RequirementsforQoSAssuranceoftheQuantumKeyDistributionNetwork2021年10月计划结项Y.QKDN-qos-gen量子密钥分发网络-QoS总体GeneralAspectsofQoS(QualityofService)ontheQuantumKeyDistributionNetwork2021年10月计划结项Y.QKDN-qos-arc量子密钥分发网络服务质量保障功能架构FunctionalarchitectureofQoSassuranceforquantumkeydistributionnetworks2021年12月计划结项qos-ml-req求RequirementsofmachinelearningbasedQoSassuranceforquantumkeydistributionnetworks2022年7月计划结项ITU-T安全工作组SG17研制的6项QKD安全相关标准X.1702量子随机数发生器架构QuantumNoiseRandomNumberGeneratorArchitectureQuantumNoiseRandomNumberGeneratorArchitecture2019年11月发布X.1710量子密钥分发网络-安全要求-总体SecurityRequirementsforQKDNetworks–Overview2020年10月发布X.1714量子密钥分发网络-密钥合并和加密密钥提供Keycombinationandconfidentialkeysupplyforquantumkeydistributionnetwork2020年10月发布X.sec_QKDN_km量子密钥分发网络-安全要求-密钥管理SecurityRequirementsforQKDNetworks-KeyManagement2021年1月计划结项X.sec_QKDN_TN量子密钥分发网络-安全要求-可信中继SecurityrequirementsforQKDN-Trustednode2021年9月计划结项标准缩写标准名称时间计划TR.sec_QKD量子密钥分法在电信网络中的安全框架研究报告SecurityframeworkforQuantumKeyDistributioninTelecomnetwork2020年3月发布ITU-TQIT4N焦点组开展的5项研究报告D2.1量子密钥分发网络术语QIT4Nterminologypart2:quantumkeydistributionnetwork2021年12月计划结项D2.2量子密钥分发网络应用TechnicalreportontheQIT4Nusecasepart2:quantumkeydistributionnetwork2021年12月计划结项D2.3量子密钥分发网络协议TechnicalreportonQKDNprotocols2021年12月计划结项D2.4量子密钥分发网络传输技术TechnicalreportonQKDNtransporttechnologies2021年12月计划结项D2.5TechnicalreportonQIT4Nstandardizationoutlookandtechnologymaturitypart2:quantumkeydistribution2021年12月计划结项ISO/IECISO/IEC27（JTC1是国际信息安全领域的权威标准化组织。2017ISO/IECJTC1SC27WG3提出《量子密钥分发201922023837-1ISO/IEC23837-2《量子密钥分发的安全要求、测试和评22018年，ISO/IECJTC1设立SG2开展量子计算研究。另外ISO/IECJTC1SC7在研究量子计算影响,ISOTC229在制定量子技术术语标准，IECTC65在研究QKD对工控系统的影响及应用。表2 ISO/IECQKD标准项目标准缩写标准名称进展Studyitem量子密钥分发的安全要求、测评方法Securityrequirements,testandevaluationmethodsforquantumkeydistribution研究阶段结束ISO/IEC23837-1量子密钥分发的安全要求、测评方法第一部分：需求Securityrequirements,testandevaluationmethodsforquantumkeydistributionPart1:requirements编制中ISO/IEC23837-2量子密钥分发的安全要求、测评方法第二部分：测评方法Securityrequirements,testandevaluationmethodsforquantumkeydistributionPart2:testandevaluationmethods编制中3.ETSIETSI2008年，EI发起D行业规范组（IS，到2018年的10年间共发QKD6加QKD术语、部署参数、密钥传递接口三QKDQKD安全评测两项新标准，14项标准项目。ETSI相关标准清单详见表3。表3 ETSIISGQKD标准项目标准缩写标准名称时间计划GSQKD002QuantumKeyDistribution(QKD);UseCases2010年10月发布标准缩写标准名称时间计划GRQKD003Quantum Key Distribution (QKD);ComponentsandInternalInterfaces2018年3月发布GSQKD004Quantum Key Distribution (QKD);ApplicationInterface2010年12月发布GSQKD005QuantumKeyDistribution(QKD);SecurityProofs2010年12月发布GRQKD007Quantum Key Distribution (QKD);Vocabulary2018年12月发布GSQKD008QuantumKeyDistribution(QKD);QKDModuleSecuritySpecification2010年12月发布GSQKD010Quantum Key Distribution Implementationsecurity:protectionagainstTrojanhorseattacksinone-wayQKDsystems起草中GSQKD011Quantum Key Distribution Componentcharacterization:characterizingopticalcomponentsforQKDsystems2016年5月发布GSQKD012QuantumKeyDistribution(QKD)DeviceandCommunicationChannelParametersforQKDDeployment2019年2月发布GSQKD013Quantum Key Distribution CharacterisationofOpticalOutputofQKDtransmittermodules起草中GSQKD014QuantumKeyDistribution(QKD);ProtocolanddataformatofkeydeliveryAPItoApplications;2019年2月发布GSQKD015QuantumKeyDistribution(QKD);QuantumKey Distribution Control Interface SoftwareDefinedNetworks起草中标准缩写标准名称时间计划GSQKD016CommonCriteriaProtectionProfileforQKD草案GRQKD017QKDNetworkArchitectures草案IETFIETF是互联网领域权威的国际专业标准化组织。2009年，日本IETFIKEforIPsecwith年，IETF（还发布了量子互联网软件模拟器(SimulaQron)用于协议研究和安全评估，组织了针对量子互联网的黑客马拉松活动。IEEEIEEE是电子电气工程领域的国际专业标准化组织。2016年，由通用电子（GE）公司在IEEE发起成立P1913软件定义量子通信（Software-DefinedQuantumCommunication，SDQC）项目组，其主QKD网络，设计协议（二）世界主要国家量子通信发展情况美国美国对量子通信的理论和实验研究开始得较早，20世纪末美国将量子信息作为三个年，IBM10bps的传输速率成功实现了世界上第一个量子信息传输实验，虽然传输距离只有短短的2003BBNDAPRA6QKD1029km。2006年，LosAlamos国家实验室基于诱骗态方案实现了安全传输距离达107km的光纤量子通信实验。2009LosAlamos2014年，（NASA）正式提出了在其总部与喷气推进实验室（JPL）600km1000km左右的10个骨干节点的远距离光纤量子通信干线的计划，并计划拓展BattelleIBM1LosAlamos国家实验室正在研发新一代的量子互联网。图1环美量子保密通信骨干网络20164月，美国国家科学基金会（NSF）将“量子跃迁-下一代量子革命”列为六大科研前沿之一。20168月，NSF6个跨1200万美元资助，用于进一步推动量子安全通201692017年研究与创新新兴前沿2016722日，美国国家科学技术委员会（NSTC）发布了5201672620176（NPI）018年4月I627月，再次2020年9月，美国众议院提出《量子网络基础设施法案》，要求2021-20251亿美元，以推进国家量子网络基础设施建设并加速量子技术的广泛实施。欧盟20901997NicolasGisin小组实现了即插即用系统的量子密200223km2007144km的基于诱骗态自由空间量子密钥分发以及基于量子纠缠的量子密钥分发实验。这个实验的成功为最终实现星地间量子通信奠定了重要的技术基础。200891241个伙伴小组成立了“基于量子密码的安全通信（S万SECOQC量子通信网络,ETSI合作推进量2012143km的量子隐形传态。20162018年启动历时1010先地位。2017927和量10年技术里程碑，如表所示。2019（antumCommunictionInfrastructureC过建立地面和空间量子通信设施以显著提升欧洲在网络安全和通信方面的能力。2019年9月，开放式欧洲量子密钥分发测试平台（OPNEQKD）12QCI的用例QCI（DigitalEuropeProgramme）予以支持。202033日，量子旗舰计划战略咨询委员会正式向欧盟委纤量子通信网络和卫星量子通信网络，最终实现量子互联网。表4欧盟量子旗舰计划量子通信里程碑时间目 标3年内QRNGQKD设备与系统，研发满足网络运营所需的高速、高成熟度(TechnologyReadinessLevel，TRL)量子存储器和远距离量子通信的系统与协议。6年内QKDQKD统的可扩展量子网络解决方案。10年内开发基于量子纠缠的长距离(>1000千米)的自治型量子城域网，即所谓的“量子互联网”，同时开发基于量子通信新特性的相应协议。英国1993年，英国国防部就BB84199530km2013年52.7亿英镑的国家量子技术计划（全球最早的国家量子计划，同时成立量子技术战略顾问委员会，2014121.24由量子通信中心（QuantumCommunicationsHub）牵头建设的英Bristol、Cambridge两地2ReadingUCL等节点实现互联Southampton、NPL等城市和单位。2015510络，1020年建成国际量子保密通信网络。2018（2.7亿英镑）（2018月2.35BristolCambridgeSouthamptonUCL20186月扩展到英国国家物理实验室（NPL）和英国电信公司（BT）AdastralPark研发中心。日本

图2英国国家量子保密通信测试网络200010400多亿日元，2020年使保密通信网络和量子通信网络技术达到实用化水平，最终建成全国性高速量子通信网。200487km150km。2010年，日本情报通信研究机构（NICT）牵头，由多家日本公司与IDQuantiqueAll63所示。该量子通信网络集中了当时欧洲和日本在量子通信技领域的最新技术，并在全网演示了基于量子加密安全的视频通话和网络监控功能，并实现了商用基因数据的长期安全性保密传输。图3日本东京量子保密通信网络日本总务省量子信息和通信研究促进会提出以新一代量子信息20202030年间建成利21102015（三）小结三、我国发展现状（一）我国政府积极推动量子保密通信发展2013年，我国就前瞻部署了世界首条远距离量子保密通信“京沪干一2018年政府工作报告并推动落实。特别是，长三角地区城市群量子保密城际干线建设已列入十三五规划。图4我国支持量子通信发展的政策图谱（二）国内标准化进展我国的量子保密通信发展从实用化走向产业化规模应用之路仍建设，支撑量子保密通信产业化发展。20176月成立了量子通信与信息技术特设任务组（he7thSpecialaskgroup,7，目标建立我国自主知识产QKD相关国际标准化进展。ST7下设量子通信工作组（WG1）50余家会员单位。ST7的工作目标具体包括：通过应用服务接口的标准化，使得量子保密通信可与现有的ICT应用灵活集成，推动量子保密通信在各行各业广泛应用；通过网络技术的标准化，构建可灵活部署和扩展的量子保密通过严格的安全性证明、标准化的安全性要求及评估方法，保证量子保密通信系统、产品及核心器件的安全性。5所示。CCSAST7QKD295。QKD系统技术要求、测试方法、量子随机数发生器等三项行标，均已进入报批阶段。S7已完成8QKD网络架构参考模型、量子保密通ISO/IECJTC1ITU-TSG13/SG17/FG-QIT4N主导和参与了量子保密通信量子保密通信业务和系统类网络技术类量子通用器件类量子安全类量子信息处理类名应网运词用络营术场结管技语景构理术密钥管理层技术应 准 微用 单 弱层 光 光技 子 探测术 源 器集光 调 制 器 芯片安全性目标和功能安全性评估要求QKD产品安全核心器件安全多 不体 同量 量 子 量 子 纠 子 纠 缠 纠 缠 纯 错 态 化 编 解 接码 口量 量 量子 子 子密 信 中钥 号 继分 交 和路发 换 由与经典光网络融合密 密钥 密 钥生 钥 分成 管 发控 理 和中制 继设备和数据认证安 安密 全 钥 通 接 信 口 协 议 备图5CCSAST7量子保密通信标准体系表5CCSAST7标准化研究情况序号项目编号建议项目中文名项目类型项目阶段120181799-T-339量子保密通信应用场景和需求国标工信部公示220181791-T-339量子通信术语和定义国标起草中32018-1739T-YD量子密钥分发(QKD)系统测试方法行标报批阶段4暂无基于IPSec协议的量子保密通信应用设备技术要求行标起草中5暂无量子密钥分发网络网络管理系统技术要求行标起草中62019-1285T-YD基于BB84协议的量子密钥分发（QKD）用关键器件和模块第3部分:量子随机数发生器（QRNG)行标送审阶段72018-1646T-YD量子密钥分发(QKD)系统技术要求1BB84系统行标报批阶段82018-1647T-YD量子密钥分发(QKD)系统应用接口行标起草中序号项目编号建议项目中文名项目类型项目阶段92019-1283T-YD基于BB84协议的量子密钥分发（QKD）用关键器件和模块第1部分：光源行标起草中102019-1287T-YD量子密钥分发与经典光通信共纤传输技术要求行标起草中112019-1284T-YD基于BB84协议的量子密钥分发（QKD）用关键器件和模块第2部分：单光子探测器行标起草中122019-1286T-YD量子保密通信网络架构行标起草中132020-0581T-YD量子密钥分发(QKD)1BB84的QKD设备行标起草中142020-0580T-YD量子密钥分发（QKD）QKD设备间接口要求行标起草中152018B69软件定义的量子密钥分发网络研究研究课题报批阶段162017B67量子密钥分发安全性研究研究课题已发布172018B39量子随机数制备和检测技术研究研究课题已发布182017B65量子保密通信系统测试评估研究研究课题已发布192019B39基于诱骗态方法的优化协议研究研究课题通过202017B64量子密钥分发与经典光通信系统共纤传输研究研究课题通过212017B66量子保密通信网络架构研究研究课题通过222018B40量子保密通信网络管理研究研究课题通过232018B67量子保密通信网络可信中继节点技术研究研究课题起草中242018B68连续变量量子密钥分发技术研究研究课题起草中252019B36量子保密通信组网关键技术研究研究课题起草中262019B37空间量子保密通信技术研究研究课题起草中272019B38量子保密通信网络中MPLS专线承载加密数据要求的研究研究课题起草中282020B80连续变量量子密钥分发系统测评研究研究课题起草中序号项目编号建议项目中文名项目类型项目阶段292020B81量子时间同步技术的演进及其在通讯网络中的应用研究研究课题起草中（三）国内技术研究、试点验证及商用部署,（安徽量子通信、神州量子、清华大学等。随着量子保密通信网络建设和试点应用的推进和发展，我国已初步形成集技术研究、设备制造、网络建设情况京沪干线2013年，量子保密通信京沪干线技术验证及应用示范项目立项建设，建设单位为中国科学技术大学。2016年年底京沪干线全线贯92000公里，接入北京、济南、合肥和上海四地量子保密通信城域网络，采用可信中继方案进行密钥中继。目前已经开展金融、云服务、政务、电力等行业领域的用户应用。国家广域量子保密通信骨干网络2018年，国家广域量子保密通信骨干网络建设一期工程开始实京-武汉-广州线路和武汉-合肥-上海线路，并接入若干已有和新建城6002个中继站点,我国量子保密通信系统的建设目标是覆盖全部34个省级行政区域。京雄量子加密通信干线200F-M相商与量子信息安全服务商在量子保密通信领域的合作探索和大胆实践，为产业融合发展提供了新模式。量子城域网网，为用户接入提供了便利条件，为大规模应用打下了良好基础。未来，计划在全国主要省会城市建设量子城域网。“墨子”号量子卫星“墨子”号量子卫星是全球首颗量子科学实验卫星。可以进行的星地双向量子密钥分发,首次实现从卫星到地面的量子隐形传态。为我国在未来继续引领世界量子通信技术发展和空间尺度量子物理基本问题检验前沿研究奠定了坚实的科学与技术基础。应用示范情况6（四）小结四、技术预见（一）量子密钥分发技术量子密钥分发QKD是一个通信双方协商产生共享密钥的过程,QKDBB84BB84协议利用单BB844个偏振090+45°偏振态和-45°偏振态，其中0°和90°构成水平垂直基（base0，±45°构成斜对角基（base1°或-5°偏振态代表经典090°或+451。发Alice编码到单光子的相应偏BobBobBob在经典协商信道上进行制备基和测量基基矢25%的概率得到错误的测量结所示。图6 QKDBB84协议原理示意图（二）量子密钥分发组网技术QKDQKD网络才能实现多QKDQKD网QKD技术的原理。QKD技术QKD研究的早期，已有文献提出基于无源光网络实现多用户QKD，并针对各种网络拓扑，例如星形和环形网络拓扑进行了QKD技术生成密钥。但QKD类似，其最大的密钥分发距离仍受限于量子信道的损耗。QKD设备可以实1××N的无源分光器件连接到1/NN路发射端的信号耦合后正1GHz1GHz的单光子探测器1对N的量子密钥分发。图7东芝量子接入网实验原理图（Optical网的案例，如图QKD终端通过可主动控制的光开关来实QKD终端间量子信道的互通。图8基于光开关的QKD网络QKD技术远距离通信需要克服传输介质损耗对信号的影响。经典通信中，可采用放大器增强信号。但在量子网络中，由于量子不可克隆定理，ARARKARBKRB。ABR产生共享会话密KABKABKAR（One-KABRKRB重KABB。BKAB。AB通过共享KAB进行加密通信。AB，可以实现信息论图9可信中继原理图QKD距离受限挑战的另一种思路是通过自由空间信QKD方案不QKDQKD网络，这也是目前可信中继方案极具价值的一种应用场景。QKD技术QKD。不同于经典中继器的信号放大、转发过程，假设Chales位于lice和obice和Charles间的距离较短，可以建立他们之间的纠缠；BobCharles同理也可建立纠缠。一旦CharlesAliceEPRE1BobEPR对E2。CharlesBell测量，并广播他的CharlesBob可通过执行本地操EPREPR对，就可以在AliceBob之间建立远距离的纠缠。通过迭代使用该方案，就可以量子操作和量子存储器，现有技术还很难实现。图10通过多次纠缠交换实现远距离的纠缠分发（三）支持灵活组网的密钥中继路由技术密钥中继的路由技术是支撑量子保密通信网络灵活组网的关键。/（四）量子密钥分发与经典光通信共纤传输技术/经典共纤传输波分复用方案已经具备实用化能力，图11基于波分复用的量子密钥分发与经典光通信共纤传输五、工程难题（一）QKD系统性能瓶颈限制其应用推广QKD系统在光纤现网中的传输能力和安全成码率有限，并性研究和测试，并采取防护措施。（二）相关标准化研究和测评处于起步阶段，对产业化应用的支撑不足积极构建量子保密通信标准体系和测评机制，并逐步推进实施，将有效引导和支撑量子保密通信产业健康发展。（三）安全方案未经过大范围验证提供加密密钥，所以安全性比一般系统、网络要求更高。目前量子保密通信还需要依托经典网络通信，经典网络通信中，大范围的验证，后期需要大量的研究和实践来进一步改进、完善。（四）产业化尚处起步阶段，以需求为导向的发展动力不足量子保密通信是量子力学与信息科学等学科相结合而产生的新时间；另外使用成本较高。（五）网络建设中建设成本较高，配套资源受限较大目前,过高；量子相关设备在未大规模产业化的前提下，造价相对较高。量子信道和经典信道的共纤传输将在未来规模商用部