日本量子信息通信技术研究现状及发展趋势

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2010 年电子密码量子通信国际会议（ UQCC ）上由 NICT 牵头的研究组在 TokyoQKD 网络上开展了绝对安全的视频传输、 窃听检测以及二次安全链路的重路由等关键技术的演示。 Tokyo QKD 网络同时也是日本和海外研究组织的共同研发平台，该平台促进了日本和国际先进量子技术的融合和国际量子技术的发展，可以说是日本通过该实验网络与国际先进研发组织形成了一个量子技术方面的共同受益体。 UQCC2010 项目总体研究路线如图 1 所示。2 阶段计划当前 Tokyo QKD 网络正在进一步升级，以建立新的试验床环境，命名为“ JGN-X(JGN-eXtreme)) ”，该网络试验床在 2011 年 9 月开始投入研发，由 NICT 主导实施第 3 阶段中期规划， 也称之为 Quantum Phase III (2011-2015 年 ) 。UQCC 项目的研究路线如图 2 所示。UQCC 的中期研究计划（第 3 阶段： 2011-2015 年）目标：* 国家电网公司科技基金资助项目（ No.XX17201200028 ），中国电力科学院创新基金资助项目（ No.XX83-12-003 ）目前，国内外在量子通信系统和试验和应用研究方面取得了很大的进展。

“墨子号”量子卫星是中国科学院空间科学先导专项首批科学实验卫星之一，其主要科学目标是借助卫星平台，进行星地高速量子密钥分发实验，并在此基础上进行广域量子密钥网络实验，以期在空间量子通信实用化方面取得重大突破。量子卫星是中国科学院空间科学先导专项首批科学实验卫星之一，其主要科学目标是借助卫星平台，进行 星地高速量子密钥分发实验日本量子通讯，并在此基础上进行广域量子密钥网络实验，以期在空间量子通信实用化方面取得重大突破。量子卫星是中国科学院空间科学先导专项首批科学实验卫星之一，其主要科学目标是借助卫星平台，进行星地高速量子密钥分发实验，并在此基础上进行广域量子密钥网络实验，以期在空间量子通信实用化方面取得重大突破。

在下一阶段，网络试验床（ TEST-BED ）将升级为“安全光子网络”，在该阶段将实现不同 的安全技术的综合应用和演示， 包括传统安全技术和量子密码技术以及实现基于多目标安全的综合业务演示。 第 4 阶段网络目标如图 4 所示。如图 5 所示， 高速 QKD 系统的更高优先级的应用是国家秘密通信。 由安全信使交付的 OTP 密钥可以通过QKD 网络实现自动密钥更新。 数据中心之间的距离一般为 100 km 左右，由 1 Gbit/s 的传输线路连接。 基于 WDM的高速 QKD 可以在 15 dB 信道损耗的获得 500 kbit/s 的安全密钥。 由 QKD 产生的共享密钥可用于预存储密钥模式下的 OTP ，这些密钥也可用于 1 Gbit/s 的分组加密。3 关键技术3.1 QKD 网络控制技术为实现基于 QKD 的安全光子网络，需研究 QKD 的性1322012 电力通信管理暨智能电网通信技术论坛论文集图 3 UQCC 项目研发组织结构图 5 高速 QKD 系统的应用示意图 4 UQCC 第 4 阶段目标网络1332012 电力通信管理暨智能电网通信技术论坛论文集图 6 QKD 网络控制技术研究课题部署能增强和系统稳定性技术，此外，为进一步扩大 QKD 网络的应用领域，需要在接口功能、多用户终端密钥共享等方面开展相关研究。

相关子课题研究如图 6 所示。（ 1 ） 稳定性技术研究在不同环境下的 QKD 系统稳定性技术、 供电技术以及系统自动恢复技术， 研究系统的 SCADA 安全控制技术，建立 QKD 网络器件的主动反馈机制。（ 2 ）功能增强的应用平台通过 QKD 提供的共享密钥， 开发特定安全需求的应用服务。 根据应用需求，定值不同的共享密钥分配和配置方案，实现应用平台的安全性保障、特定的身份认证等。（ 3 ）新一代 QKD 系统通过研究量子信道复用技术、功能优化的小型化装置，以实现更高速率的量子密钥产生速率可通过量子信道复用技术、高性能纠错编码和先进光子探测技术等实现。 此外，通过优化电路设计和 QKD 系统的功能，可以实现装置的小型化，以进一步推进 QKD 的实用化和工程化进程。（ 4 ）长期运行性能测试长期运行性能测试包括长期稳定运行监测以及开放的密钥传输参数库。 基于 A-1 的研究成果，可以通过实际运行的 QKD 网络实现对密钥生成的长期监测和跟踪，实现 QKD 网络的性能保证。 此外，通过开发数据挖掘系统，可获得与环境相关的 QKD 传输性能参数。3.2 量子密码理论研究量子密码理论研究的主要目标是建立用于填补真实物理器件与理想器件之间的差异性理论方法，以为指导设计最高安全等级的 QKD 实际器件提供方法和思路。

在理论方面，需要研究高效、实用的密钥提取技术，防止边信道攻击的计数测量技术以及相关协议设计和分析技术。此外，建立 QKD 的安全性认证机制。3.3 CV-QKD 及应用研究CV-QKD 是确保接入网环境下的信息安全的优先选择技术。在网络接入侧，无条件安全性的保障不是最重要的需求， 高速的密钥产生和可用性是考虑的重点。 CV-QKD 的主要目标是研制连续变量 QKD 和基于 QAM 的光学安全通信系统，以实现与基于 QAM 和零差检测相干光探测的光通信系统的无缝集成。 这些技术将用于建立安全的通信系统，实现从网络接入侧的无条件安全通信到骨干网的高速、高安全性数据传输一体化解决方案。本课题开发的 CV-QKD 系统可用于在城域网上传输基于信息理论安全的话音、数据。 基于流密码和 QAM 技术，开发光学安全通信系统。 选取用于流加密的具有物理差别的二维QAM 信号，可获得安全性增强的物理层加密技术，该技术与当前的高速光通信技术兼容，可实现核心光网络的物理安全。 在CV-QKD 和光学安全通信系统之间的无缝对接方面也需要开展进一步研究。由于 CV-QKD 和光学安全通信系统的器件原理都是基于相干光通信，因此可以预期将来可以实现集成多种安全技术的统一的收发装置，提供全程端到端的安全通信解决方案：从安全性和传输速率方面进行综合考虑，通过切换不同的运行模式，实现用户定制的安全模式，如：无条件安全的城域通信、物理安全的核心网通信和计算安全的高速通信等不同的安全通信模式之间进行选择。

他说，量子通信平日采用单光子作为物理载体日本量子通讯，最为间接的方法是经由进程光纤或者近高空从容空间信道传输。之所以要做卫星和地面之间的量子通信的原因是，尽管我们现在用光纤上网，但量子通信的信号在光纤里传输一百公里之后，99%的信号都损耗掉了，那么如果想做一千公里的量子通信，哪怕是把目前全世界所有顶尖技术都用上，每三百年也才能传送一个信号，量子通信就没价值了。潘建伟说，未来量子通信可通过光纤实现城域量子通信网络、通过中继器连接实现城际量子网络、通过卫星中转实现远距离量子通信，最终构成广域量子通信网络。

实用的量子通讯技术不是直接传递光子，而是通过某种方式把该光子的量子状态复制给远处的其他光子，从而在接受者那里制造出一个处于纠缠态的光子，从而达成量子通信的目的，这被称为"量子态隐形传输"，也就是中科院的潘建伟团队所采用的技术路线。nict与电气通信大学借助在2013年11月和去年12月合作开发的高感度超导光子探测器和具有高亮/高纯度的纠缠光源装置，结合最新设计的可在任意中间点对双组光子进行干涉的同步干扰技术，生成出可适合于电信设施频段的高质量纠缠光子对，使光纤通讯波长段的量子纠缠交换处理速度由以往的约10秒1次提升千倍至1秒108次，从而将既有光纤链路上扩展测量设备无关的纠缠交换构想从原理实验推向实际协议验证。2005年在国际上首次经由实际通信光路实现了125公里单向量子密钥分配，2009年在芜湖建成世界上首个量子政务网，2011年首次实现八光子纠缠源，2012年首次实现了量子惠勒延迟选择实验，制备出了粒子和波的叠加状态，极大地丰富了人们对玻尔互补原理的理解。