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国通信学会
量子保密通信技术发展
及应用前沿报告
（2020年）
中国通信学会
2020年12月
CIC中
国通信学会
版权声明
本前沿报告/白皮书版权属于中国通信学会，并受法律
保护。转载、摘编或利用其它方式使用本报告文字或者观点
的，应注明“来源：中国通信学会”。违反上述声明者，本学
会将追究其相关法律责任。
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专家组和撰写组名单
顾问：
尹 浩 中国科学院院士
许楚国 中国通信服务股份有限公司 副总经理
专家组：
组长：
钮海明 中国通信建设集团有限公司董事长、总经理
通信建设工程技术委员会 主任委员
副组长：
姓名 单位 职务
李全法 中国通信建设集团有限公司/通信建设
工程技术委员会
资深副总裁/副主
任委员
吴伟 中国电信集团有限公司云网发展部/通
信建设工程技术委员会
副总经理/副主任
委员
边燕南 中国移动通信集团有限公司计划建设
部/通信建设工程技术委员会
副总经理/副主任
委员
马红兵 中国联合网络通信集团有限公司云网
运营中心/通信建设工程技术委员会
总经理/副主任委
员
张蕴洲 中国铁塔集团公司工程建设部/通信建
设工程技术委员会
副总经理/副主任
委员
孔力 中讯邮电咨询设计院有限公司/通信建
设工程技术委员会
总工程师/副主任
委员
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王长峰 北京邮电大学经济管理学院/通信建设
工程技术委员会 所长/副主任委员
成员：
姓名 单位 职务
孙丽珍 中国通信建设集团有限公司 专家/教授高工
梁麦先 中国通信建设集团有限公司 专家/教授高工
陈崴嵬 中国通信建设集团设计院有限公司 副总经理/教授高
工
左崴东 国科量子通信网络有限公司 副总裁/教授高工
王光全 中国联通研究院 网络研究部主任/
教授高工
撰写组：
单位 姓名
中国通信建设集团设计院有限公司 申虹
北京科技大学/国科量子通信网络有限公司 马彰超
中国通信建设集团设计院有限公司 韩鹏
中国通信建设集团设计院有限公司 郭兆强
中国联通网络技术研究院 沈世奎
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前 言
人类基于量子力学对微观粒子系统的观测和调控能力不断突破
和提升，量子科技革命的第二次浪潮正在到来。量子信息科学是量子
力学与信息科学等学科相结合而产生的新兴交叉学科，量子计算、量
子通信、量子测量是量子信息科学发展的三个重要领域，未来也是技
术创新和产业升级的关注焦点。
2000 年以来，全球量子信息技术发展与应用呈现加速趋势。美、
欧、亚各国高度重视，均将量子信息列为“保持国家竞争力”的重点
课题。我国对于量子信息技术和产业发展的重视程度也在逐步提高。
2015年，习近平总书记在关于“十三五”规划建议的说明中明确指出，
要在量子通信等领域部署体现国家战略意图的重大科技项目。在随后
发布的创新驱动发展战略纲要、科技创新规划、信息化规划、技术创
新工程规划、科技军民融合发展专项规划等十余项重要国家政策中均
明确要求推进量子通信的发展，发改委、工信部、科技部、网信办、
各地政府等也纷纷出台政策给予支持。2020 年 10 月 29 日，十九届
五中全会通过的《中共中央关于制定国民经济和社会发展第十四个五
年规划和二 0 三五年远景目标的建议》中也明确指出“瞄准量子信息
等前沿领域，实施一批具有前瞻性、战略性的国家重大科技项目”。
近年来，我国在基于光纤网络的量子保密通信技术和星地量子密钥分
发技术方面开展了系统性的深入研究，在量子保密通信技术实用化和
应用方面取得了丰硕成果，并在金融、电力等相关行业领域成功开展
了应用示范，总体上处于国际领先地位。
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根据中国通信学会组织各专业委员会开展前沿报告的工作安排，
通信建设工程技术专委会组织量子通信领域产学研用各领域专家学
者多方研讨，撰写了本报告。本报告放眼全球、聚焦国内，研究汇总
量子保密通信全球发展态势及我国发展现状，提出技术预见，分析量
子保密通信工程建设中的重大难题，提出技术和产业政策建议。本报
告内容涉及面广，希望能够为产业界同仁把握量子保密通信领域发展
趋势和技术产业发展方向提供参考，也可作为政府部门制定政策的参
考。
中国通信学会通信建设工程技术委员会
主任委员：
2020 年 12 月
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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 ...................................................................... 2 1. ITU-T ...................................................................................................... 2 2.ISO/IEC .................................................................................................... 5 3.ETSI ......................................................................................................... 6 4.IETF ......................................................................................................... 8 5.IEEE ......................................................................................................... 8
（二）世界主要国家量子通信发展情况 .......................................................... 9 1.美国 .......................................................................................................... 9 2.欧盟 ........................................................................................................ 11 3.英国 ........................................................................................................ 13 4.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
1.网络建设情况 ........................................................................................ 23 2.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）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 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
1.网络建设 ................................................................................................ 35 2.应用试点 .................................................................................. 38
（二） 产业政策建议 ...................................................................................... 41 1.发展模式 ................................................................................................ 41 2.技术创新 ............................................................................................... 43 3.企业培育 ............................................................................................... 44
（三） 政策保障建议 ...................................................................................... 46 1.组织保障 ............................................................................................... 46 2.政策保障 ............................................................................................... 46 3.人才保障 ............................................................................................... 46 4.金融保障 ............................................................................................... 47
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一、 研究概述
上世纪中叶，人类以量子力学为基础开始认识和利用微观物理规
律，推动产生了激光器、半导体和原子能等具有划时代意义的重大科
技突破。进入二十一世纪，量子技术与信息技术深度融合，第二次“量
子革命”正在到来。量子信息科学是量子力学与信息科学等学科相结
合而产生的新兴交叉学科，目前其重点发展方向包括量子通信、量子
测量和量子计算三个领域，分别以面向无条件安全的保密通信、超强
的计算能力、精密探测突破了信息科学的经典极限，将为信息社会的
演进提供强劲动力。
量子计算利用“量子比特”量子叠加态的特性，通过量子态的受
控演化实现数据的存储计算。随着量子比特数量增加，量子计算算力
可呈指数级规模拓展，理论上具有经典计算无法比拟的超强并行处理
能力。以 IBM 的超级计算机 Blue Gene 为例，它需要花费上百万年才
完成的数据处理，而量子计算机只需要几秒。将量子计算比喻成矛，
将有望“吾矛之利，于物无不陷也”。量子计算在带来强大算力的同
时，也将引发全新信息安全挑战。现有公钥体系的安全性基于单向计
算复杂度的数学难题，即便增加算法复杂度和密钥长度，也将难于抵
御量子计算攻击，经典加密通信面临严重威胁。当前信息社会和数字
化经济时代，信息安全形势日益复杂，量子保密通信技术应运而生，
将以“吾盾之坚，莫之能陷也”构建信息安全关键屏障。
基于量子密钥分发（Quantum Key Distribution，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
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向实用化和产业化的技术方向，有望为信息安全领域带来可实现长期
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，
提出技术预见，分析量子保密通信工程建设中的重大难题，并对其发
展前景进行展望，提出技术和产业政策建议。
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
（ITU）、国际标准化组织（ISO）、国际电工协会（IEC）均启动了量
子保密通信相关标准化工作。另外，国际互联网工程推进组（IETF）、
国际电子电气工程师协会（IEEE）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。
1. ITU-T
ITU-T 是国际电信联盟负责全球 ICT 事务标准化的联合国官方
机构。2018 年以来 ITU-T 立项制定 QKD 网络框架及功能架构、安全
总体要求、密钥管理技术及安全要求、QKD 密钥加密要求、QRNG 架
构等 18 项国际标准，详见表 1。
目前，ITU-T 聚焦在 QKD 网络标准化方面，具体工作涉及 ITU
多个工作组，主要力量来自中、日、韩、美、欧，包括国科量子、科
大国盾、韩国 SK Telecom、KT、LGU+、瑞士 IDQ、日本 NICT、美
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国 QAI 联盟等。
另外，我国自 2018 年向 ITU 提出设立“面向网络的量子信息技
术”焦点组提案，一经提出即受到来自美、英、加等西方国家以及 ETSI
等竞争标准组织的重重阻碍。经过一年时间的不懈努力，最终在 2019
年 9 月，我国代表团成功在 ITU 推动设立“面向网络的量子信息技术”
焦点组。该焦点组由中、美、俄三国专家担任联合主席，希望构建全
球量子标准化统一平台，联合 ITU 内外部专家力量，加速、高效开展
量子信息技术的标准化工作。目前，焦点组正在起草量子保密通信相
关的用例、协议、传输、术语、标准化路线等 5 项研究报告。
表 1 ITU QKD 标准项目
标准缩写 标准名称 时间计划
ITU-T SG13 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 Framework for
Networks to supporting Quantum Key Distribution
2019 年 10 月
发布
Y.3801 量子密钥分发网络-功能需求 Functional
requirement of the Quantum Key Distribution network
2020 年 5 月发
布
Y.3802 量子密钥分发网络-功能架构 Functional architecture
of the Quantum Key Distribution network
2020 年 7 月工
作组同意
Y.3803 量子密钥分发网络-密钥管理 Key management for
Quantum Key Distribution network
2020 年 7 月工
作组同意
Y.3804 量子密钥分发网络-控制与管理 Control and
Management for Quantum Key Distribution Networks
2020 年 7 月工
作组同意
Y.QKDN_S
DNC
量子密钥分发网络-软件定义网络控制 Software
Defined Network Control for Quantum Key
Distribution Networks
2021 年 9 月计
划结项
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4
标准缩写 标准名称 时间计划
Y.QKDN_B
M
量子密钥分发网络-商业模型 Business role-based
models in Quantum Key Distribution Network
2021 年 3 月计
划结项
Y.QKDN_fi
nt
量子密钥分发网络与安全网络基础设施融合框架
Framework for integration of QKDN and secure
network infrastructures
2021 年 7 月计
划结项
Y.QKDN-
qos-req
量子密钥分发网络-QoS 保障要求 Requirements for
QoS Assurance of the Quantum Key Distribution
Network
2021 年 10 月
计划结项
Y.QKDN-
qos-gen
量子密钥分发网络-QoS 总体 General Aspects of
QoS (Quality of Service) on the Quantum Key
Distribution Network
2021 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
Functional architecture of QoS assurance for quantum
key distribution networks
2021 年 12 月
计划结项
Y.QKDN-
qos-ml-req
基于机器学习的量子密钥分发网络服务质量保障要
求 Requirements of machine learning based QoS
assurance for quantum key distribution networks
2022 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 Quantum Noise Random
Number Generator ArchitectureQuantum Noise
Random Number Generator Architecture
2019 年 11 月
发布
X.1710 量子密钥分发网络-安全要求-总体 Security
Requirements for QKD Networks – Overview
2020 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 Key
combination and confidential key supply for quantum
key distribution network
2020 年 10 月
发布
X.sec_QKD
N_km
量子密钥分发网络-安全要求-密钥管理 Security
Requirements for QKD Networks - Key Management
2021 年 1 月计
划结项
X.sec_QKD
N_TN
量子密钥分发网络-安全要求-可信中继 Security
requirements for QKDN -Trusted node
2021 年 9 月计
划结项
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标准缩写 标准名称 时间计划
TR.sec_QK
D
量子密钥分法在电信网络中的安全框架研究报告
Security framework for Quantum Key Distribution in
Telecom network
2020 年 3 月发
布
ITU-T QIT4N 焦点组开展的 5 项研究报告
D2.1 量子密钥分发网络术语 QIT4N terminology part 2:
quantum key distribution network
2021 年 12 月
计划结项
D2.2
量子密钥分发网络应用 Technical report on the
QIT4N use case part 2: quantum key distribution
network
2021 年 12 月
计划结项
D2.3 量子密钥分发网络协议 Technical report on QKDN
protocols
2021 年 12 月
计划结项
D2.4 量子密钥分发网络传输技术 Technical report on
QKDN transport technologies
2021 年 12 月
计划结项
D2.5
量子密钥分发网络标准展望 Technical report on
QIT4N standardization outlook and technology
maturity part 2: quantum key distribution network
2021 年 12 月
计划结项
2.ISO/IEC
ISO/IEC 第一联合工作委员会第 27 子委员会（JTC1 SC27）是国
际信息安全领域的权威标准化组织。
2017 年，我国在 ISO/IEC JTC1 SC27 WG3 提出《量子密钥分发
的安全要求、测试和评估方法》牵头立项开展研究，并于 2019 年 2
月获得 20 多国投票通过，正式立项开展标准制定工作，包括两部分：
ISO/IEC 23837-1 《量子密钥分发的安全要求、测试和评估方法 部分
1：要求》；ISO/IEC 23837-2 《量子密钥分发的安全要求、测试和评
估方法 部分 2：测试和评估方法》。
2018 年，ISO/IEC JTC1 设立 SG2 开展量子计算研究。另外
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ISO/IEC JTC1 SC7 在研究量子计算影响, ISO TC229 在制定量子技术
术语标准，IEC TC65 在研究 QKD 对工控系统的影响及应用。
表 2 ISO/IEC QKD 标准项目
标准缩写 标准名称 进展
Study item 量子密钥分发的安全要求、测评方法 Security
requirements, test and evaluation methods for
quantum key distribution
研究阶段结
束
ISO/IEC
23837-1
量子密钥分发的安全要求、测评方法 第一部
分：需求 Security requirements, test and
evaluation methods for quantum key distribution
Part 1: requirements
编制中
ISO/IEC
23837-2
量子密钥分发的安全要求、测评方法 第二部
分：测评方法 Security requirements, test and
evaluation methods for quantum key distribution
Part 2: test and evaluation methods
编制中
3.ETSI
ETSI 是全球电信领域极具影响力的区域性标准化组织。2008 年，
ETSI 发起 QKD 行业规范组（ISG-QKD），到 2018 年的 10 年间共发
布 QKD 用例、应用接口、收发机特性等 6 项规范；2019 年，ETSI 加
速标准化工作，年初发布了 QKD 术语、部署参数、密钥传递接口三
项规范，同时也立项 QKD 网络架构和 QKD 安全评测两项新标准，
共计开展 14 项标准项目。
ETSI 相关标准清单详见表 3。
表 3 ETSI ISG QKD 标准项目
标准缩写 标准名称 时间计划
GS QKD 002 Quantum Key Distribution (QKD); Use Cases 2010 年 10 月发布
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标准缩写 标准名称 时间计划
GR QKD 003 Quantum Key Distribution (QKD);
Components and Internal Interfaces 2018 年 3 月发布
GS QKD 004 Quantum Key Distribution (QKD);
Application Interface 2010 年 12 月发布
GS QKD 005 Quantum Key Distribution (QKD); Security
Proofs 2010 年 12 月发布
GR QKD 007 Quantum Key Distribution (QKD);
Vocabulary 2018 年 12 月发布
GS QKD 008 Quantum Key Distribution (QKD); QKD
Module Security Specification 2010 年 12 月发布
GS QKD 010
Quantum Key Distribution (QKD);
Implementation security: protection against
Trojan horse attacks in one-way QKD systems
起草中
GS QKD 011
Quantum Key Distribution (QKD);
Component characterization: characterizing
optical components for QKD systems
2016 年 5 月发布
GS QKD 012
Quantum Key Distribution (QKD) Device and
Communication Channel Parameters for QKD
Deployment
2019 年 2 月发布
GS QKD 013
Quantum Key Distribution (QKD);
Characterisation of Optical Output of QKD
transmitter modules
起草中
GS QKD 014
Quantum Key Distribution (QKD); Protocol
and data format of key delivery API to
Applications;
2019 年 2 月发布
GS QKD 015
Quantum Key Distribution (QKD); Quantum
Key Distribution Control Interface for
Software Defined Networks
起草中
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标准缩写 标准名称 时间计划
GS QKD 016 Common Criteria Protection Profile for QKD 草案
GR QKD 017 QKD Network Architectures 草案
4.IETF
IETF 是互联网领域权威的国际专业标准化组织。2009 年，日本
向 IETF 提交“IKE for IPsec with QKD”草案但未形成标准；2018 年，
IETF 成立“量子互联网研究组（QIRG）”，研究从基于可信中继的 QKD
网络向由量子中继、量子计算、量子存储组成的量子互联网的演进。。
目前在编制两项草案，包括量子互联网的架构原则、量子互联网的应
用及案例，其将量子保密通信做为量子互联网的应用场景之一。另外，
QIRG 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。
5.IEEE
IEEE 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-Defined Quantum Communication，SDQC）项目组，其主
要目标是定义面向量子通信设备的可编程网络接口协议，使得量子通
信设备可以实现灵活的重配置，以支持各种类型的通信协议及测量手
段。该标准针对基于软件定义网络（SDN）的 QKD 网络，设计协议
明确量子设备的调用、配置接口协议，通过该接口协议，可以动态的
创建、修改或删除量子协议或应用。
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（二）世界主要国家量子通信发展情况
1.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
政府就将量子信息列为“保持国家竞争力”计划的重点支持课题，隶
属于政府的美国国家标准与技术研究所（NIST）将量子信息作为三个
重点研究方向之一。在政府的支持下，美国量子通信产业化的发展也
较为迅速。1989 年，IBM 公司在实验室中以 10bps 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
32m，但却拉开了量子通信实验的序幕。2003 年，美国国防部高级研
究计划署在 BBN 实验室、哈佛大学和波士顿大学之间建立了 DAPRA
量子通信网络，这是世界上首个量子密码通信网络。该网络最初由 6
个 QKD 节点，后扩充至 10 个，最远通信距离达到 29km。2006 年，
Los Alamos 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。
2009 年，美国政府发布的信息科学白皮书中明确要求，各科研机
构协作开展量子信息技术研究。同年，美国国防部高级研究署和 Los
Alamos 国家实验室分别建成了多节点的城域量子通信网络。2014 年，
美国国家航空航天局（NASA）正式提出了在其总部与喷气推进实验
室（JPL）之间建立一个直线距离 600km、光纤皮长 1000km 左右的
包含 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
到星地量子通信。同一年，全球最大的独立科技研发机构美国 Battelle
公司也提出了商业化的广域量子通信网络计划，计划建造环美国的万
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公里级量子通信骨干网络，为谷歌、IBM、微软、亚马逊等公司的数
据中心之间提供量子通信服务，如图 1 所示。目前，美国 Los Alamos
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
2016 年 4 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。2016 年 8 月，NSF 对 6 个跨
学科研究团队给予了 1200 万美元资助，用于进一步推动量子安全通
信技术的发展。2016 年 9 月，NSF 发布 2017 年研究与创新新兴前沿
项目（EFRI）的招标文件，着重解决基础工程挑战，开发芯片级的设
备和系统，为实用化的量子存储和中继器的研制做准备，目标是实现
可扩展的广域量子通信和应用。
2016 年 7 月 22 日，美国国家科学技术委员会（NSTC）发布了
《推进量子信息科学：国家的挑战与机遇》报告，提到美国国防部陆
军研究实验室（ARL）启动了为期 5 年的多站点、多节点的量子通信
网络建设工作，服务国防部战略需求。2016 年 7 月 26 日，美国白宫
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发布官方博文，建议大力推进量子信息科学发展，要求学术界、工业
界和政府尽快就“量子信息科学议题”进行交流，以保证量子信息研
发的关键需求得到满足。2017 年 6 月，美国国家光子学倡议组织（NPI）
——由工业、学术界和政府组成的合作联盟，联合发起关于“国家量
子计划的呼吁”，2018 年 4 月 NPI 进一步发布了“国家量子行动计划
倡议”。该行动计划包含对用于海量数据分析的量子计算、用于新材
料和分子设计的量子模拟、量子保密通信、量子传感和测量四大领域。
2018 年 6 月，美国众议院科学、空间和科技委员会正式通过了“国家
量子计划法案”。
在国家量子计划法案的推动下，2020 年 2 月，美国发布了《量子
网络战略愿景》，提出聚焦量子互联网的基础发展。同年 7 月，再次
公布了《量子互联网国家战略蓝图》报告，明确建设与现有互联网并
行的第二互联网——量子互联网。
2020 年 9 月，美国众议院提出《量子网络基础设施法案》，要求
联邦政府在 2021-2025 财年期间，向能源部科学办公室拨款 1 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。
2.欧盟
早在 20 世纪 90 年代，欧洲就意识到量子信息处理和通信技术的
巨大潜力，充分肯定其长期应用前景，从欧盟第五研发框架计划（FP5）
开始，就持续对泛欧洲乃至全球的量子通信研究给予重点支持。1997
年，瑞士日内瓦大学 Nicolas Gisin 小组实现了即插即用系统的量子密
钥分发方案。2002 年，欧洲研究小组在自由空间中实现了距离 23km
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的量子密钥分发实验。2007 年，来自德国、奥地利、荷兰、新加坡和
英国的联合团队在大西洋中两个海岛间实现了距离 144km 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。
2008 年，欧盟发布了《量子信息处理与通信战略报告》，提出了欧洲
在未来五年和十年的量子通信发展目标，该目标包括了实现地面量子
通信网络、星地量子通信、空地一体的千公里级量子通信网络等。同
年 9 月，欧盟发布了关于量子密码的商业白皮书，启动量子通信技术
标准化研究，并联合了来自 12 个欧盟国家的 41 个伙伴小组成立了
“基于量子密码的安全通信”（SECOQC）工程。这是继欧洲核子中心
和国际空间站后又一个大规模的国际科技合作。该工程耗资 1140 万
欧元在维也纳建立了 SECOQC 量子通信网络,并与 ETSI 合作推进量
子保密通信的标准化。2012 年，维也纳大学和奥地利科学院的物理学
家实现了 143km 的量子隐形传态。
2016 年，欧盟委员会发布《量子宣言》，计划于 2018 年启动历时
10 年、投资 10 亿欧元的量子旗舰计划，以保持欧盟在量子时代的领
先地位。2017 年 9 月 27 日，欧盟发布其量子旗舰计划的最终报告，
该计划涵盖量子通信、量子计算、量子模拟、量子测量与传感四大领
域。该报告将量子通信界定为基于量子随机数发生器（QRNG）和量
子密钥分发（QKD）等技术，实现保密通信、长期安全存储、云计算
等密码学相关应用，以及未来用于分发纠缠的量子态的“量子网”。
报告定义了明确的 10 年技术里程碑，如表所示。
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2019 年，在量子技术旗舰计划的支持下，欧洲全力推进建设量子
通信基础设施（Quantum Communication Infrastructure，QCI），希望通
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）项目启动，正在 12 个欧洲国家开展基于 QCI 的用例
测试。目前， QCI 已纳入数字欧洲计划（Digital Europe Programme）
予以支持。
2020 年 3 月 3 日，量子旗舰计划战略咨询委员会正式向欧盟委
员会提交了《量子旗舰计划战略工作计划》报告，明确发展远距离光
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
开发并认证 QRNG 和 QKD 设备与系统，研发满足网络运
营所需的高速、高成熟度(Technology Readiness Level，TRL)、
低成本部署的新型协议及应用；同时，开发用于量子中继器、
量子存储器和远距离量子通信的系统与协议。
6 年内
开发成本经济的、可扩展的 QKD 设备与系统，部署 QKD
城际和城域网络，演示面向终端用户的端到端业务应用；同时，
研发可连接各类量子传感器、量子计算处理器等量子设备和系
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。
3.英国
英国也是量子信息技术的先行者。早在 1993 年，英国国防部就
在光纤中实现了基于 BB84 协议的相位编码量子密钥分发实验，传输
CIC中
国通信学会
14
距离达到了 10km，并于 1995 年将该传输距离提升到 30km。2013 年
秋季，英国宣布设立为期 5 年、投资 2.7 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，
旨在促进量子技术研究向应用领域转化，并积极推进量子通信、量子
计算等新兴产业的形成。在该计划下，2014 年 12 月，英国又宣布投
资 1.2 亿英镑，成立以量子通信等为核心的 4 个量子技术中心，推动
具有商业可行性的新量子技术。
由量子通信中心（Quantum Communications Hub）牵头建设的英
国国家量子保密通信测试网络，目前已建成 Bristol、Cambridge 两地
的量子城域网，如图 2 所示，并通过 Reading、UCL 等节点实现互联
的量子保密通信测试网络，计划扩大覆盖范围，接入 Southampton、
NPL 等城市和单位。
2015年以来，英国先后发布了《量子技术国家战略》、《量子技术：
时代机会》和《量子技术简报》，将量子技术发展提升至影响国家创
新力和国际竞争力的重要战略地位，提出了开发和实现量子技术商业
化的系列举措。英国计划 5 至 10 年建成实用的量子保密通信国家网
络，10 至 20 年建成国际量子保密通信网络。
2018 年 11 月，英国在国家量子技术计划第一阶段（2.7 亿英镑）
成功实施的基础上启动了第二阶段资助计划（2018 年 11 月），涉及资
金 2.35 亿英镑。在该计划的支持下，英国国家量子通信网络已经建成
连接 Bristol、Cambridge、Southampton 和 UCL 的干线网络，并于 2018
年 6 月扩展到英国国家物理实验室（NPL）和英国电信公司（BT）
CIC中
国通信学会
15
Adastral Park 研发中心。
图 2 英国国家量子保密通信测试网络
4.日本
日本对量子通信技术的研究晚于美国和欧盟，但发展速度更为迅
速。在国家科技政策和战略计划的支持和引导下，日本科研机构投入
了大量研发资本积极参与和承担量子通信技术的研究工作，推动量子
通信技术的研发和产业化。2000 年，日本邮政省将量子通信技术作为
一项国家级高新技术列入开发计划，预备 10年内投资 400多亿日元，
致力于研究光量子密码及光量子信息传输技术，并专门定制了跨度为
10 年的中长期定向研究目标，计划到 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。
2004 年，日本研究人员成功用量子密码技术实现加密通信，传输
距离达到了 87km。同年，NEC 公司改进了单光子探测器信噪比，使
量子密码传输距离达到 150km。
2010 年，日本情报通信研究机构（NICT）牵头，由多家日本公
CIC中
国通信学会
16
司与Toshiba欧洲研究中心、瑞士 ID Quantique公司、奥地利All Vienna
研究组合作建成了 6 节点东京城域量子保密通信网络，如图 3 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
通信技术为对象的长期研究战略，计划在 2020 年至 2030 年间建成利
用量子加密技术的绝对安全和高速的量子信息通信网。邮政省把量子
通信作为 21 世纪的战略项目，以 10 年的中长期目标进行研究。东芝
于 2015 年宣布“力争在五年内将量子保密通信系统在公共机构和医
疗机构等领域进行商业化应用”。
CIC中
国通信学会
17
（三） 小结
本部分从政策法规、技术标准及示范建设等维度扫描美、欧、亚
等国家的量子信息技术发展态势。可以看到，虽然各国家和地区在具
体的技术路径选择方面有着不同的立场和观点，各国的技术标准体系、
产业布局、产业推进方式和示范验证的进展也不尽相同，但是各方都
就量子信息技术能够带来巨大的社会价值和经济价值形成共识，并将
量子信息技术作为战略性产业方向和技术创新突破点。各国家和地区
纷纷加快产业布局、制定发展规划，通过政策法规、技术标准、示范
建设等全方位措施，推进量子信息技术的产业化进程。近年来，全球
量子信息技术发展与应用呈现加速趋势。
三、我国发展现状
（一）我国政府积极推动量子保密通信发展
近年来，我国在基于光纤网络的量子通信技术和星地量子密钥分
发技术方面开展了系统性的深入研究，在量子通信技术实用化和应用
方面取得了丰硕成果，总体上处于国际领先地位。特别是在国家发改
委前瞻部署的“量子保密通信‘京沪干线’技术验证及应用示范项目”
和中国科学院空间科学战略先导专项部署的“墨子号”量子卫星项目
的牵引和带动下，我国不仅掌握了城域、城际以及自由空间的量子通
信关键技术，更培育和集聚了一批覆盖核心器件研发、产品设备制造、
业务应用开发等各环节的企业，并在金融、电力等相关行业领域成功
开展了应用示范，形成了一批结合用户业务的解决方案，为向相关领
域和行业应用推广打下了坚实基础。
CIC中
国通信学会
18
我国量子通信技术的后发先至得益于国家的提前布局和支持。早
在 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
干线”，率先开展了相关技术的应用示范并取得系列宝贵经验。为进
一步保持我国在量子保密通信产业化发展的领跑地位，近年来从国家
到各地方各级政府和部门，都给予量子保密通信高度的关注和推动。
2015年，习近平总书记在关于“十三五”规划建议的说明中明确指出，
要在量子通信等领域部署体现国家战略意图的重大科技项目。在随后
发布的创新驱动发展战略纲要、科技创新规划、信息化规划、技术创
新工程规划、科技军民融合发展专项规划等十余项重要国家政策中均
明确要求推进量子保密通信通信的发展，发改委、工信部、科技部、
网信办等也纷纷出台政策给予支持。各地区政府则以政府文件的形式，
直接支持量子技术发展和开展量子保密通信网络的建设。安徽、山东、
北京、上海、江苏、浙江、广东、新疆等众多省份将发展量子信息技
术、建设量子通信网络写入 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
CIC中
国通信学会
19
（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
然面临不少挑战。标准化是其中十分重要的一环，对于未来产业健康
发展具有奠基石的意义和作用。当前亟需加速量子保密通信标准体系
建设，支撑量子保密通信产业化发展。
为推动量子保密通信关键技术研发、应用推广和产业化，在中国
科学院推动下，CCSA 于 2017 年 6 月成立了量子通信与信息技术特
设任务组（The 7th Special Task group, ST7），目标建立我国自主知识
产权的量子保密通信标准体系，支撑量子保密通信网络的建设及应用，
推动 QKD 相关国际标准化进展。ST7 下设量子通信工作组（WG1）
和量子信息处理工作组（WG2）两个子工作组，该组织已汇聚国内量
子保密通信产业链的主要企业及科研院所，包括国科量子网络、科大
国盾量子、三大电信运营商、中国信通院、中国通建、华为、中兴、
烽火、阿里巴巴等 50 余家会员单位。
ST7 的工作目标具体包括：
1）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；
2）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
通信网络：使不同厂商的量子保密通信设备可以兼容互通；实现量子
密钥分发与传统光网络的融合部署；促进量子通信关键器件供应链的
成熟发展；
3）通过严格的安全性证明、标准化的安全性要求及评估方法，
CIC中
国通信学会
20
保证量子保密通信系统、产品及核心器件的安全性。
目前，ST7 已制定完整的量子保密通信标准体系，包括名词术语
标准以及业务和系统类、网络技术类、量子通用器件类、量子安全类、
量子信息处理类等五大类标准，如图 5 所示。
围绕该体系框架，目前 CCSA ST7 已从术语定义、应用场景和需
求、网络架构、设备技术要求、QKD 安全性、测试评估方法等方面立
项开展 29 项标准编制及研究课题工作，详见表 5。
目前，国标《量子保密通信应用场景与需求》、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。
另外，ST7已完成 8项研究报告，包括《量子保密通信网络架构研究》、
《量子密钥分发安全性研究》、《量子保密通信系统测试评估研究》、
《量子密钥分发与经典光通信系统共纤传输研究》、《量子随机数制备
和检测技术研究》等，明确了 QKD 网络架构参考模型、量子保密通
信系统基本测试方法、量子密钥分发安全性攻防技术、量子与经典光
通信共纤传输技术等内容。
同时，中国企业和研究机构，包括国科量子、科大国盾、信通院、
中国信息安全测评中心、联通、电信、移动、北邮等多家企业和研究
机构，在 ISO/IEC JTC1、ITU-T SG13/SG17/FG-QIT4N 主导和参与了
多项标准立项及编制工作，成为推动国际量子信息标准化研究的重要
力量。
CIC中
国通信学会
21
量子层技
术
网络技术类
密钥管理层技
术
应用层技
术
量子保密通信
业务和系统类 量子通用器件类
名词术
语
应用场
景
网络结
构
运营管
理
准单光子
源
微弱光探测
器
光调制
器
集成光路芯
片
量子安全类
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
量子信息处理类
量子纠缠纯
化
量子纠
错
多体量子纠缠态编解
码
不同体系量子系统接
口
量子密钥分
发
量子信号交
换
量子中继和路
由
与经典光网络融
合
密钥生成控
制
密钥管
理
密钥分发和中
继
设备和数据认
证
密钥接
口
安全通信协
议
安全通信设
备
图 5 CCSA ST7 量子保密通信标准体系
表 5 CCSA ST7 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
1 20181799-T-
339 量子保密通信应用场景和需求 国标
工信部公
示
2 20181791-T-
339 量子通信术语和定义 国标 起草中
3 2018-1739T-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
6 2019-1285T-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
7 2018-1646T-YD
量子密钥分发(QKD)系统技术要求
第 1 部分：基于 BB84 协议的 QKD
系统
行标 报批阶段
8 2018-1647T-YD 量子密钥分发(QKD)系统应用接口 行标 起草中
CIC中
国通信学会
22
序号 项目编号 建议项目中文名 项目
类型 项目阶段
9 2019-1283T-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
10 2019-1287T-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
11 2019-1284T-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
12 2019-1286T-YD 量子保密通信网络架构 行标 起草中
13 2020-0581T-YD
量子密钥分发(QKD)设备安全要求
第 1 部分：基于诱骗态 BB84 协议
的 QKD 设备
行标 起草中
14 2020-0580T-YD 量子密钥分发（QKD）网络 密钥
管理单元与 QKD 设备间接口要求 行标 起草中
15 2018B69 软件定义的量子密钥分发网络研究 研究
课题 报批阶段
16 2017B67 量子密钥分发安全性研究 研究
课题 已发布
17 2018B39 量子随机数制备和检测技术研究 研究
课题 已发布
18 2017B65 量子保密通信系统测试评估研究 研究
课题 已发布
19 2019B39 基于诱骗态方法的优化协议研究 研究
课题 通过
20 2017B64 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
21 2017B66 量子保密通信网络架构研究 研究
课题 通过
22 2018B40 量子保密通信网络管理研究 研究
课题 通过
23 2018B67 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
24 2018B68 连续变量量子密钥分发技术研究 研究
课题 起草中
25 2019B36 量子保密通信组网关键技术研究 研究
课题 起草中
26 2019B37 空间量子保密通信技术研究 研究
课题 起草中
27 2019B38 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
28 2020B80 连续变量量子密钥分发系统测评研
究
研究
课题 起草中
CIC中
国通信学会
23
序号 项目编号 建议项目中文名 项目
类型 项目阶段
29 2020B81 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
目前，我国是全球量子保密通信技术领域专利公开量最多的国家,
主要申请人包括中国科学技术大学、安徽问天量子、科大国盾量子（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、
建设运维、安全应用为一体的产业链 。
1.网络建设情况
1.1 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
通，2017 年 9 月正式开通。京沪干线途径北京、河北、山东、江苏、
安徽、上海等省市，总长超过 2000 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。
1.2 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
施，在“京沪干线”基础上，增加武汉和广州两个骨干节点，新建北
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
域网络。其中武合干线目前已全线贯通，路由总长度约 600 公里，全
程设置 2 个骨干站，9 个中继站点,定位为国内第一条商用系统。未来
CIC中
国通信学会
24
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。
1.3 京雄量子加密通信干线
京雄量子加密通信干线是中国联通与亨通联合建设的。京雄干线
北起联通网络研究院，途经长话、良乡、高碑店、徐水至雄安联通，
全长约 200 公里。该系统采用我国自主量子密钥分发技术——F-M 相
位编码方案，完全免疫线路扰动，能应对复杂光纤链路环境，为用户
提供高安全性、高稳定性的保密通信服务。京雄干线是传统电信运营
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。
1.4 量子城域网
前期，依托京沪干线和武合干线，北京、济南、合肥、上海、武
汉等地相继建成了以金融、政务等为核心业务的量子城域网和行业专
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。
1.5“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
“星地高速量子密钥分发实验”、“星地双向纠缠分发实验”与“空间
尺度量子隐形传态实验”等空间尺度量子力学完备性检验的实验研究。
我国利用“墨子号”量子卫星在国际上率先成功实现了千公里级
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。
CIC中
国通信学会
25
2.应用示范情况
基于量子保密通信的信息安全应用正逐步呈现出需求牵引、政策
驱动、快速发展的特点。在政务、金融、国防、关键基础设施等领域，
提高信息安全保障能力的需求较为迫切，已经开展了多项示范应用。
例如，在金融领域已形成 6 种应用示范，包括同城数据备份和加密传
输、网上银行加密、异地灾备、视频会议、监管信息采集报送及大数
据应用等；在云数据中心领域，在阿里云机房环境中搭建了测试平台，
对量子设备与公共云平台的技术融合进行测试和验证，发布了云量子
保密通信产品。
（四）小结
我国量子通信技术的后发先至得益于国家的提前布局和支持，后
续将迎来量子信息技术的加速突破应用。我国信息安全保障形势复杂，
较为重视量子通信研究和量子保密通信应用。本节通过对我国量子保
密通信产业政策及规划、标准技术进展、产业发展现状的扫描分析，
可以看到：我国已将量子保密通信产业上升到国家战略高度，产业政
策持续利好；量子保密通信标准体系已初步形成，围绕该体系框架，
已开展多项标准编研工作；我国已经初步形成较为完整的量子保密通
信产业链，在测试验证、应用示范方面形成一定规模，为后续大规模
产业化及商业化提供参考和奠定基础。
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,
CIC中
国通信学会
26
目前，实用化程度最高的 QKD 协议为 BB84 协议。BB84 协议利用单
光子的量子态作为信息载体进行编码、传递、检测等实现量子秘钥分
发。按照 BB84 协议，每一个光子随机选择调制的基矢，接收端也采
用随机的基矢进行监测。以偏振编码为例，采用了单光子的 4 个偏振
态，水平偏振态 0°、垂直偏振态 90°、+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）。事先约定单光子的水平偏振态 0°或-45°偏振态代表经典
二进制码 0，垂直偏振态 90°或+45°偏振态代表经典二进制码 1。
发送方 Alice 随机使用两组基矢，将随机数 0，1 编码到单光子的相应
偏振状态，通过量子信道发给合法用户 Bob。Bob 接收到光子后，随
机地使用两组基矢的检偏器测量偏振态。若制备基矢和检测基矢兼容，
则收发随机数完全一致，否则接收随机数与发送可能不同。为了提取
一致信息，Alice 和 Bob 在经典协商信道上进行制备基和测量基基矢
比对，两端都保留基矢一致部分的信息，收发双方拥有完全一致的随
机数序列密钥。
如果存在窃听，由于量子不可克隆定理使得确保窃听者无法克隆
出正确的量子比特序列，因此窃听者须采用截获光子测量后再重发的
策略，按照量子力学的假定，测量会有 25%的概率得到错误的测量结
果并且会干扰到量子态，导致误码率增加，根据误码率评估决定密钥
是否保留。保留的密钥通过纠错和保密增强最终获得安全密钥。如图
6 所示。
CIC中
国通信学会
27
图 6 QKD BB84 协议原理示意图
（二）量子密钥分发组网技术
QKD 本质上是一种点对点技术，通过构建 QKD 网络才能实现多
用户间的保密通信。目前来看，将点对点 QKD 扩展为多用户 QKD 网
络的方案可以分为三类，分别基于无源光器件、可信中继和量子中继
来实现。前两者虽然通过现有技术即可实现，但各有一定的局限性。
目前距离实现真正的量子中继网络仍然有不小的距离。下面分别介绍
QKD 网络面临的挑战和三类网络 QKD 技术的原理。
2.1 基于无源光器件的网络 QKD 技术
在 QKD 研究的早期，已有文献提出基于无源光网络实现多用户
间的 QKD，并针对各种网络拓扑，例如星形和环形网络拓扑进行了
研究。其基本思想是通过分束器、光开关、波分复用器等光器件，将
多路量子信道复用传输，以实现多用户通信。同一时隙内，网络中只
有一对用户建立量子链路，即可通过点对点 QKD 技术生成密钥。但
CIC中
国通信学会
28
是，这种网络架构不具备可扩展性。与点对点 QKD 类似，其最大的
密钥分发距离仍受限于量子信道的损耗。
通过无源光器件和主动光交换设备连接不同的 QKD 设备可以实
现组网。东芝的量子接入网是利用无源光器件组网案例之一，其实验
原理如图所示，多路发射端通过一个 1××N 的无源分光器件连接到
探测接收端。每一路发射端发射量子信号周期为 1/N GHz，通过调节
不同发射端发射信号的时间延迟，使得 N 路发射端的信号耦合后正
好形成 1GHz 的脉冲信号，可以由门控频率为 1GHz 的单光子探测器
探测。不同发射端发射的量子信号由时间位置可以区分，因此可以分
别按时间位置探测，完成相应的密钥协商后处理过程，从而实现 1 对
N 的量子密钥分发。
图 7 东芝量子接入网实验原理图
另外，在量子城域网中还有不少基于光开关（Optical Switch）组
网的案例，如图所示。多个 QKD 终端通过可主动控制的光开关来实
现彼此间量子信道的搭建，实现各 QKD 终端间量子信道的互通。
CIC中
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图 8 基于光开关的 QKD 网络
2.2 基于可信中继的网络 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，
放大器是无法使用的。基于量子纠缠交换，可以实现量子纠缠的中继，
进而实现远距离量子通信。但量子中继技术难度很大，还不能实用。
目前，为构建远距离量子密钥分发基础设施采用的过渡方案是可信中
继器方案。其具体原理是：考虑两个端节点 A 和 B，及其之间的可信
中继器 R。A 和 R 通过量子密钥分发生成密钥 KAR。类似地，R 和 B
通过量子密钥分发生成密钥 KRB。A 和 B 则通过 R 产生共享会话密
钥 KAB的过程如下图所示：A 将 KAB 通过 KAR以一次性密码本（One-
time-pad，OTP）加密后发送至 R，解密得到 KAB。R 使用密钥 KRB重
新加密 KAB，并将其发送给 B。B 解密后获得 KAB。A 和 B 通过共享
密钥 KAB进行加密通信。
CIC中
国通信学会
30
这种将密钥以一次一密的方式从 A 传递至 B，可以实现信息论
安全的密钥分发，理论可防止任意的外部窃听者攻击。但这种方案要
求任何一个中继节点的存储区必须是安全可信的。
图 9 可信中继原理图
此外，克服 QKD 距离受限挑战的另一种思路是通过自由空间信
道而不是光纤来发送信号，因为信号在空气介质中的传播损耗比通过
光纤介质的传播损耗要小得多。因此，基于卫星系统的 QKD 方案不
仅可以接收从地面到卫星几百公里距离的点对点量子信号，还可将这
些卫星作为可信中继节点组成 QKD 网络，构成全球范围的 QKD 网
络，这也是目前可信中继方案极具价值的一种应用场景。
2.3 基于量子中继器的网络 QKD 技术
受到经典网络中继器概念的启发，量子中继器很早即被提出用于
实现任意距离的 QKD。不同于经典中继器的信号放大、转发过程，
量子中继器将基于量子纠缠原理来实现，通过使用纠缠交换和纠缠纯
化来实现量子纠缠效应的远距离中继延伸。其基本思想可以理解如下：
假设 Charles 位于 Alice 和 Bob 之间，Alice 和 Charles 间的距离较短，
可以建立他们之间的纠缠；Bob 和 Charles 同理也可建立纠缠。一旦
Charles 与 Alice 分享一个 EPR 对 E1，并与 Bob 分享另一个 EPR 对
CIC中
国通信学会
31
E2。Charles 就可以对他手中的两个半对进行 Bell 测量，并广播他的
测量结果。根据 Charles 的测量结果，Alice 和 Bob 可通过执行本地操
作将两个光子转换成 EPR 对。这样通过牺牲一个 EPR 对，就可以在
Alice 和 Bob 之间建立远距离的纠缠。通过迭代使用该方案，就可以
在任意长的距离上建立可用于生成安全密钥的纠缠。注意在这个方案
中，Charles 没有任何关于最终密钥的信息，因此其不必是可信节点。
量子中继器引起了大量的研究关注，目前已有多种技术方案，但
是距离实用还很遥远。因为实际可行的量子中继器涉及到非常精细的
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。
量子保密通信网络一般使用密钥生成速率、密钥缓存量和密钥中继消
耗速率等参数描述链路的状态，并评价链路质量。所有链路的状态、
连接关系、质量等构成一个动态的网络拓扑数据库。量子保密通信网
络中的中继路由表即根据这个数据库，按照距离优先、链路质量优先
或者综合评定等策略来决策并动态地给出密钥中继路由。网络中各个
节点实时地更新网络拓扑数据库，共同维护路由表或者委托核心节点
/网络来维护路由表。对于大规模的量子保密通信网络，一般通过分域
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和分层管理来减低路由表维护的难度，提高路由收敛的速度；从而实
现灵活组网，提高网络的兼容性和可扩展性。
（四）量子密钥分发与经典光通信共纤传输技术
通过量子信道与经典光信道复用光纤传输，可有效节省量子保密
通信网络部署所需的纤芯管道资源，利用现有光通信网络资源，实现
经济、高效建网的目标。该技术主要需要解决的问题是功率较强的经
典通信光信号的功率谱噪声和拉曼散射、四波混频等非线性噪声对量
子通信的干扰问题。共纤传输的方案包括波分复用、时分复用、空分
复用等，其中波分复用方案和现网的光通信系统最容易融合，但其主
要的困难在于长距离和强经典光功率条件下拉曼散射噪声难以滤除。
基于波分复用的共纤技术将量子光信号、同步光信号和协商光信
号分别安置在不同的波长上，通过窄带滤波和波分复用器合成一路进
行传输。目前，量子/经典共纤传输波分复用方案已经具备实用化能力，
并得到了实验验证和现网验证，下一步需要提高技术的成熟度，提高
共纤传输距离。
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
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五、工程难题
（一）QKD 系统性能瓶颈限制其应用推广
商用 QKD 系统在光纤现网中的传输能力和安全成码率有限，并
且传输距离和安全密钥速率相互制约，量子保密通信应用场景受限明
显。长距离传输的可信中继节点可能成为安全风险点。实际系统和器
件的非理想特性有可能成为被窃听者利用的安全漏洞，需要进行安全
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
相关标准研究和制定目前尚属于起步阶段，对网络建设和应用部
署的规范和指导作用不足。此外，量子保密通信应用场景主要面向高
安全性需求的重要通信领域，对于技术和设备的测试评估和检测认证
都有很高要求，在缺少相应的测评规范和标准体系下，现有的试点应
用向规模化商用和产业化应用的推广和转化将面临困难。
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
安全性是量子保密通信的核心要素，量子保密通信本身是为客户
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，
无论从网络层面、计算层面，还是存储层面等，存在较多已经验证的
和未暴露的漏洞和风险，无法做到可证明的绝对安全，经典通信只能
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提供相对安全的环境，因此依托于经典通信的量子保密通信也存在相
应风险。所以量子保密通信网络的安全方案还处于初期阶段，未经过
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
兴交叉学科，客户对其技术原理、安全性、可靠性的了解和认同需要
时间；另外使用成本较高。
目前，量子保密通信应用场景较为有限，产业发展对于国家政策
扶持依赖性较强，后续商业化应用模式和市场化推广运营有待进一步
探索。传统通信和信息安全行业对于量子保密通信产业的参与度较低，
产业链的建立和培育较为困难。以需求为导向的发展动力不足，导致
后续工程建设乏力。
（五）网络建设中建设成本较高，配套资源受限较大
目前,量子保密通信网络建设还处于初步发展阶段，未形成稳定、
良好的商业模式;
实际工程中，缺乏光纤、机房等基础资源，租用第三方设施成本
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署中有效
节省纤芯资源，节约建设成本。经典光通信采用密集波分复用技术，
传统 80 波波分复用（DWDM）系统入纤功率约 20dBm。QKD 采用
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近似单光子源，为弱光信号。经典强光产生的拉曼散射和四波混频效
应会对量子信号产生干扰。为此，业界已开展广泛的共纤研究验证，
通过提高波分设备器件性能、增大波长间隔、降低经典信号入纤功率
等策略可以实现大容量（80 波）长距离（80~100 公里）共纤传输。
下一步需要提高技术的成熟度，提高共纤传输距离。
（六）其他工程挑战
量子保密通信设备在体积、功耗和集成度等方面存在较大提升空
间，并对其应用推广形成制约。
城域用量子保密通信设备的小型化和易集成，是城域应用需要解
决的问题。
六、政策建议
综合上述研究与分析结果，下面将分别从技术政策、产业政策及
政策保障三方面提出有关建议。
（一） 技术政策建议
1.网络建设
为积极响应国家关于推进量子保密通信网络建设及应用的号召，
促进量子保密通信网络架构及功能体系的完善，推动先进信息技术在
国民经济和社会发展关键领域的应用实践，在优化信息基础设施建设
布局前提下，建议分阶段完成以“两个明确、两个推动”为核心的主
要任务，大幅提升我国网络安全保障水平。
1.1 明确目标网络架构
采用现有成熟的密钥分发技术，以“接入站+可信中继”的方式，
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搭建以国内干线、省内干线及城域网为基础三层量子保密通信网络架
构，在网络管理层实现密钥共享，完成国内干线与省内干线的互联互
通；省内干线网络目标实现环路结构，在链路上实现量子密钥的保护，
城域网络按需以环路+支链的形式进行规划，在网络支撑、安全服务
系统上形成“一主一备”双中心模式；省内干线及城域网最低密钥生
成速率达到国内现有网络建设的基本标准。具体目标网络结构如下图
12 所示。
图 12 量子保密通信网络规划结构图
1.2 明确网络功能划分
以量子密钥分发技术为基础，明确以“密钥分发+密钥管理平台”
为核心的量子密钥平台，以业务支撑系统及运营支撑系统为主体的网
络支撑平台，以密码服务和安全管理为中心安全服务平台等三大功能
平台。具体网络功能体系结构如下图 13 所示。
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图 13 量子保密通信网络功能系统架构图
各功能平台具体功能建议如下：
（1）量子密钥平台
建立以密钥生成层（量子信息及经典信息的处理）、密钥分发层
（设备管理、密钥中继、密钥转发、密钥存储、密钥输出）、密钥应用
层（量子密钥应用设备与加密用户数据设备的对接）及密钥管理平台
（密钥路由管理及生成控制管理）为核心的量子密钥平台。
（2）网络支撑平台
建立以业务支撑系统（营业系统、账务系统、计费系统及综合结
算系统等）及运营支撑系统（量子网络管理、量子网络运维系统等）
为主的网络支撑平台。完成针对用户、流量、密钥使用量等多维指标
关联的业务模板、计费模型、结算模式的自动化设置，提供统一的业
务开通及客户关系管理门户，实现对复杂量子保密通信网络中多种设
备、线路及重点客户的集中控制、监测及分权分域管理及维护。
（3）安全服务平台
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完成密码服务及安全管理两大功能区块；建立以身份认证、加密、
签名为中心的密码服务功能；以入侵检测、安全审计、漏洞检测及网
络运行日志记录、审计为中心的安全管理功能。
2.应用试点
以“京沪干线”等为平台，以区域经济发展水平为依据，以重点
区域覆盖为目标，推动网络建设主体与电信运营商展开合作，促进省
网、城域网试点工程开展，选择政务、电力、金融及公检法等行业领
域内安全等级要求较高的业务内容进行应用；同时通过试点工作开展
形成可复制的示范模版，目标实现规模推广。
2.1 量子保密通信+政务
建议在省干网和城域网上扩大政府部门量子保密通信业务的节
点和范围，开展新技术和新业务应用推广。支撑保密视频电话会议、
保密电子公文传输、保密视频电话通信、多媒体应用、保密传真通信、
领导科学决策、大数据安全保障等业务，为各政府部门提供基于量子
安全的专网通信服务。
2.2 量子保密通信+金融
建议先期通过与商业银行间的人民币跨境收付信息管理系统业
务的量子保密通信试点应用，促进金融领域量子保密通信建设和产业
发展。后期通过与中国人民银行和中国银保监会合作，开展金融行业
量子保密通信应用，开展同城数据备份和加密传输、网上银行加密、
异地灾备和视频会议、监管信息采集报送、人民币跨境收付系统应用
等业务，并争取在国有大型商业银行和全国性股份制商业银行中形成
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一批典型示范用户。
2.3 量子保密通信+电力
建议以个别先进地市供电公司量子保密通信网络试点应用为基
础，扩大供电公司量子保密通信网建设范围，计划接入国家量子保密
通信骨干网，并以个别先进地市供电公司为模板向更广泛地市公司推
广应用；业务应用层面扩大试点业务种类、数量和应用范围，深化开
展量子保密通信技术和电力企业信息传输需求高度契合的应用示范，
探索在异地备份数据加密传输、电力企业网络通信的安全层级、加密
量子交换网络平台和智能变电站等领域的应用研究，构建基于量子保
密通信网络盖电力发、输、变、配、用、调六大环节的电力全业务接
入示范应用。
2.4 量子保密通信+公检法
建议建设公安系统专用量子保密通信网络，开展公安量子保密通
信试点应用。在试点成功基础上，扩展到全国公安系统进行量子保密
通信应用，未来可延伸到检察院、法院系统。为公检法各类敏感信息、
涉密业务的处理、传输和存储提供高等级、主动免疫的安全健康信息
化环境。
2.5 量子保密通信+工业
鼓励和支持量子保密通信在分享经济、平台经济、网络化协同创
新体系等新业态以及大数据、人工智能等战略性新兴产业发展中的应
用。推动构建工业互联网和智制造网络系统平台量子保密通信支撑体
系，推动智能装备和产品以及供应链、生产控制、管理与服务智能化
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中的量子保密通信应用，推进自动驾驶车辆、智能船舶、智能车联以
及车辆控制系统等装备和载运工具中的量子保密通信应用。
2.6 量子保密通信+交通运输
建议开展在铁路、公路、水运、航空、邮政以及城市公共交通等
交通运输网络的示范应用，构建铁路公共服务平台、客运联网售票、
高速公路不停车收费、交通一卡通、出行服务、寄递服务、运政管理
等信息系统的保密支撑体系，促进量子保密通信在新一代国家交通控
制网、多式联运信息资源共享、北斗导航中的应用。
2.7 量子保密通信+民生保障
建议在教育局的科研计算机网、教育资源系统、电子校务系统、
教育基础数据系统、学历学籍管理系统、教育卡等教育应用中构建量
子保密通信支撑体系。服务健康中国战略实施，在卫生局的医疗服务、
医疗保障、医疗管理等卫生健康应用中建立应用示范，加强全民健康
信息化平台、医疗卫生电子证照、居民健康卡等信息化系统中的量子
保密通信应用。在劳动和社会保障厅的社会保障卡、残疾人卡、军人
保障卡等社会保障应用中建立应用示范。促进就业服务、社会保险公
共服务、精准扶贫等领域的量子保密通信应用。
2.8 量子保密通信+电信
建议在城市基础网络、基础设施相关信息系统、城市数据采集综
合利用平台以及智慧城市中构建量子保密通信支撑体系，加强智能管
网、智能交通、智能家居等的量子保密通信应用。在 5G 和物联网领
域，引进中国电信等运营商，建立保密通信产业化基地（实验室），整
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合产业链，培育生态集群，对量子密钥服务及量子密钥加密带宽服务
的商业模式进行探索和培育。在云计算领域，吸引大型云计算平台企
业搭建合作测试平台，对量子设备与公共云平台的技术融合进行测试
和验证，开发云量子保密通信产品，在专有云上形成一批量子保密通
信试点。在大数据领域，与专业数据治理、数据分析企业洽谈合作共
同建立大数据服务中心，优先布局量子保密通信金融应用和量子政务
云的试点，推动量子保密通信产业化发展。
（二） 产业政策建议
1.发展模式
以企业为产业发展主要推动力，以政府为产业发展的重要支撑力，
以应用为产业发展的核心着力点，优先构建产业链中下游优势发展量
子保密通信产业。
1.1 企业为主要推动力
发挥我国量子保密通信网络建设、网络运营、应用产品服务提供
商优势，为我国量子保密通信产业发展提供主要推动力。
（1）网络建设：联动量子保密通信运营商和传统运营商资源，
统一规划我国量子保密通信网络建设和技术规范。
（2）网络运营：发挥国科等企业在量子保密通信领域的技术积
累，挖潜传统通信运营商的运营优势，面向各类行业用户提供量子密
钥运营服务。
（3）应用产品：支持信息通信企业转型，深挖现有政务、电力、
金融等行业客户的网络安全深度需求，联合量子保密通信核心企业，
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以及科研机构，共同开发具有行业特色的量子保密通信应用产品。
1.2 政府为重要支撑力
充分发挥政府支撑作用，选取重点城市，联合网络建设、网络运
营、应用产品相关企业，有效调动社会资本力量，共同推动产业化进
程。
（1）推动搭建技术创新、产业培育公共服务平台，重点在投融
资服务平台、知识产权公共服务平台、人才培训平台、科技成果转化
平台和专利导航服务平台等载体建设方面取得突破，为推进产业化进
程提供专业化服务。
（2）支持开展先进地市城域网建设，加快开展量子保密通信在
政务、公检法、民生、交通、电力等信息安全领域的示范推广应用，
为国民经济关键领域提供网络安全保障。
1.3 应用为核心着力点
量子保密通信技术只有通过广泛应用并获得用户认可后，才能真
正实现商业化和产业化。基于我国在新材料、节能环保、软件、新能
源、海工装备等产业的工业体系资源优势，结合先进芯片设计制造、
通信设备制造等重点项目，采用量子保密通信技术提供网络安全保障
升级，推动工业互联网融合创新，努力扩大量子保密通信市场份额，
积极发展“量子+”融合经济，反向推动我国量子保密通信产业发展。
先期推进量子保密通信在政务、金融、电力、公检法领域应用试点，
待技术和产业链进一步发展成熟后，总结成功模式逐步面向工业企业、
交通运输、民生保障、电信等领域的市场化需求开展应用创新。
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2.技术创新
2.1 研发关键技术产品
强化企业的技术创新主体地位，鼓励企业充分利用本土科研资源，
联合科研机构开展科技创新研究，加快量子中继、量子存储、光纤复
用及量子密钥空中分发等量子保密通信关键技术攻关，力争在核心技
术领域抢占制高点。进一步提高量子保密通信系统稳定性和可靠性，
解决量子保密通信设备的小型化和轻量化问题，使最新量子保密通信
科研成果在物联网、5G、IPV6 密码等新兴技术和产业中成功转化应
用。
2.2 建设标准规范体系
加快建立量子保密通信相关设备和网络建设的标准体系，鼓励量
子保密通信相关企业和科研机构交流合作，积极参与量子保密通信全
产业链的基础共性、互联互通、行业应用等标准的制定工作，充分利
用已有的量子保密通信网络，对相关技术标准的重要技术内容、指标、
参数等进行试验验证和符合性测试，加强量子保密通信标准框架体系
研究。鼓励量子保密通信企业参与或主导制定国际标准，以技术标准
“走出去”带动我国量子保密通信产品和服务在国内外推广应用。
2.3 充分融合产学研用
充分利用我国优质的基础科研资源，打造先进高效的科技服务链
条，优化以用为导向的产学研融合生态体系。建立健全创新型科技成
果转化服务机制、知识产权保护机制和合作交流服务机制，通过搭建
服务平台、提供资金奖励、落实监管职责等工作模式保障相关利益主
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体之间的研发合作、产权转移、技术转让、人才流动、资源共享等顺
利实现。搭建科技成果转化平台，推动科技成果转化应用，为相关主
体提供网络化的成果信息查询、成果转化项目推介、科技成果评估、
产权转让监管、法律法规咨询等服务。搭建知识产权公共服务平台，
为相关主体提供知识产权孵化、查找、咨询、评估、代理、转让、交
易、托管、司法鉴定等服务。
3.企业培育
3.1 着力建设骨干企业
充分发挥政府政策的引领作用，聚焦量子保密通信领域骨干企业，
集中各类资源促进在量子保密通信设备、网络建设及运营等领域实现
重点突破。发挥骨干企业的示范带动作用，支持其围绕量子保密通信
产业制订发展战略，在重大产品研发、技术并购等方面进行路径设计，
全面带动我国量子保密通信产业发展。
3.2 联合培育创新企业
（1）传统运营商向量子保密通信转型升级：推动电信及广电网
络运营企业与量子保密通信骨干企业开展合作，为量子保密通信业务
提供光纤线路资源租赁或合作建设支持，鼓励双方整合优势资源，拓
展市场空间，创新业务运营及服务模式，推动我国量子保密通信产业
重点突破和整体提升。
（2）信息技术企业拓展量子保密通信市场：充分利用我国现有
信息通信产业基础和量子保密通信网络资源，鼓励量子保密通信优势
骨干企业联合集成电路、传感器、大数据、物联网等信息技术领域核
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心企业在量子保密通信设备产品制备、实验验证、应用服务等领域展
开合作，并联合培育量子保密通信创新企业。
3.3 营造良好产业环境
（1）优化产业环境：加快构建行业服务平台，充分运用现代信
息技术，创新服务模式，开展网络化、集成化的科技咨询和知识服务。
培育一批技术能力强、具有一定国际影响力的量子保密通信领域检验
检测认证机构，构建重点产品质量检验检测服务体系。
（2）搭建“双创”平台：全面落实“双创”扶持政策，鼓励各地
市政府联合量子保密通信骨干企业围绕量子保密通信产业搭建创新
创业公共服务平台。利用双创平台提供量子保密通信应用产品的对接、
联调、测试和咨询等服务，并吸引产业链相关企业通过平台开展量子
保密通信设备产品制备、实验验证、应用服务等领域的创新创业。
3.4 推动建立量子保密通信产业联盟
由政府支持，相关量子保密通信骨干企业牵头，挖潜节能环保、
软件、新能源、海工装备、信息通信等产业优势资源，整合我国技术
研发、核心制造、基础设施、应用服务、大数据、互联网以及科技金
融等领域代表性核心企业，联合研究机构，构筑可持续发展的量子保
密通信产业联盟，加速推进我国量子保密通信网络建设、应用发展和
产业培育。
通过量子保密通信产业联盟，可持续研究量子保密通信产业发展
战略，为我国有关产业政策制订以及重大项目的顺利实施提供决策参
考；搭建产学研交流平台，积极组织联盟成员参加国内外会议会展、
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技术培训、招商推介和考察交流活动，为联盟成员提供国内外产业资
源对接、交流、合作与创新发展的平台；组织实施国家重大产业项目
和产业化专项，整合联盟成员单位优势以及产业链上下游的资源，开
展联合攻关活动，实现产业集聚发展；围绕产业联盟生态链，对接多
层次资本市场，结合政府政策支持，推动量子保密通信应用和产业发
展，促进产业变革和模式创新。
（三） 政策保障建议
1.组织保障
加强组织指导，统筹做好信息基础设施建设、资源共建共享、行
业应用发展规划、技术创新指导、企业培育环境营造等工作。成立我
国量子保密通信工作协调小组，组建量子保密通信技术专家小组和技
术支撑团队，推进相关工作机制建设和规划工作落实。
2.政策保障
在落实现有政策的基础上研究制定符合我国量子保密通信产业
发展的创新创业、产业发展、人才培育、科技服务和科技金融等政策。
健全技术创新、专利保护与标准化互动支撑机制，促进量子保密通信
技术创新成果的知识产权化。建立政策传递保障机制，有效落实行业
监管职责，营造公平竞争、规范有序的市场环境，确保在招商引资、
项目开展、设备研制、支撑运营等环节形成持续、配套的政策体系保
障。
3.人才保障
创新人才激励、评价、流动、服务等机制，针对我国量子保密通
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信产业现状制定专项人才政策，实现错位发展。引导高校、职业院校
以及量子保密通信相关企业，围绕产业链、科技链就人才培养项目开
展深度合作，培养一批突破关键技术、引领学科发展、带动产业转型
的量子保密通信专业科研人才和技术人才，建成一支规模宏大、结构
合理的高技能人才队伍。充分发掘已经出台的创新创业政策和产业政
策，加强政策落实，大力招引科学研究、科技创业、专业技术和高技
能量子保密通信人才。
4.金融保障
（1）加强资金支持：统筹政府和市场多渠道资金投入，盘活现
有资源，对量子保密通信基础前沿研究、关键共性技术攻关、科技成
果转化、基地平台建设等提供支持。拨付量子保密通信试点应用专门
资金，以政府或行业采购模式开展量子保密通信试点应用，对于建设
投入大、应用成效好、具有示范引领作用的重点项目予以适当的资金
奖补。
（2）拓宽融资渠道：充分发挥财政资金引导、激励作用，探索
通过设立量子保密通信产业专项基金等方式，鼓励和引导社会资本参
与量子保密通信重大项目实施和科技成果转化应用。鼓励骨干企业、
产业创新联盟牵头成立市场化的量子保密通信产业发展基金。拓宽量
子保密通信相关企业融资渠道，利用天使投资、风险投资、创业投资
基金及资本市场融资等多种渠道，引导社会资本支持量子保密通信发
展。鼓励量子保密通信企业通过银行信贷融资、专利质押贷款融资等
方式增强资金运作能力。
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