面向6G时代前沿技术初探：量子信息技术2024白皮书.pdf

1/28前前言言2023年，ITU-R发布了IMT-2030框架，强调可持续性、安全性和弹性，将未连接的连接和无处不在的智能作为首要方面，作为普遍适用于所有使用场景的设计原则。在另一项关于2030 年及以后 IMT 未来发展的建议中，ITU-R 提到，与 RAN 相关的量子技术是一项潜在技术，可在允许通过网络实体合法交换敏感信息时确保安全性和弹性。因此，应用量子技术实现第六代（6G）及后续通信的安全性和弹性的目标变得更加明确。为此，在这份每年修订的白皮书中，我们介绍了过去一年量子信息技术（QIT）在通信、网络和计算领域应用的研究进展，并对2024年量子技术研究提出了一些预期。第二章重点介绍量子安全通信，旨在通过应用量子机制保护关键信息。介绍从量子密钥分配（QKD）、量子随机数生成器（QRNG）和量子信息网络（QIN）方面不断进行的各种理论和实验开始，随后介绍了世界各地最先进的 QKD 标准化活动。对6G的影响分别介绍了在车联网上部署的量子加密演示，与 G.698.4 设备集成连续可变 QKD(CV-QKD)，以及量子密码技术在6G网络中的部署。第3章深入研究了如何通过应用量子计算来满足6G所期望的通信系统性能的大幅提升和创新业务的丰富多样性。首先分析了通信的计算场景和关键问题，包括信号处理、网络优化、业务处理、网络智能化等。其次，提出了具有强大计算基础的“经典+量子”混合计算平台，为不同领域提供量身定制的计算支撑服务，促进研究创新和产品落地。第三，通过三个例子介绍了量子计算对6G的影响，分别应用量子计算解决经典通信问题。基于2023年的突破性成果，2024年或将成为量子计算技术的重要一年，由此开始量子计算领域有望从物理量子比特过渡到纠错逻辑量子比特，同时反量子密码学研究时间表也将提前。2/28目录目录前言.11.引言.32.量子通信与网络.52.1关键技术.52.1.1量子密钥分发.52.1.2量子随机数生成器.62.1.3量子信息网络.72.2量子密钥分发标准化活动.82.2.1中国标准化进展.82.2.2国际性标准化进展.102.3对 6G 的影响.132.3.1车联网中的量子加密.132.3.2量子加密与承载网设备集成.142.3.3量子通信安全.143.量子计算.163.1通信计算场景及关键问题.163.1.1信号处理.163.1.2网络优化.173.1.3业务处理.173.1.4网络智能化.183.2量子混合异构计算.183.3对 6G 的影响.193.3.1单小区大规模 MIMO 天线优化.203.3.2多小区大规模MIMO波束选择.223.3.3毫米波信号相位校正.244.未来展望.275.致谢.283/281.引言引言这份每年修订的白皮书旨在介绍量子信息技术(quantum information technologies,QITs)的最新研究进展，以满足6G或后6G时代在通信和计算方面所面临的严格要求。除了QITs为通信和网络，以及计算带来的预期收益之外，本版本的白皮书还提出了对2024年量子技术研究的一些展望。第第2章章 量子通信与网络量子通信与网络第2章将重点介绍量子安全通信，它利用量子力学原理来保护关键信息安全。2023 年，以下关键技术领域取得了持续不断的理论和实验进展。量子密钥分发(quantum key distribution,QKD)方面，科研成果和经典量子共传输研究取得了突破，并且 QKD 系统的性能也得到了进一步提升。量子随机数生成器(Quantum random number generator,QRNG)技术正朝着更高效、更稳定的目标进行研发改进。许多实验室和研究机构开展了大量实验来验证量子信息网络(quantum Information Network,QIN)的可行性和稳定性。关于 QKD 的标准化活动，主要的标准化组织正积极制定相关的标准，涵盖术语定义、应用场景和需求、网络架构、设备技术要求、QKD 安全、测试评估方法等各个方面。最后，白皮书通过三个示例讨论了量子技术对6G的影响：车联网中的量子加密演示；将连续变量 QKD(CV-QKD)技术与 G.698.4 设备集成，从而使 QKD 融入现有经典通信网络，充分利用现有电信基础设施；在6G网络中部署量子密码技术，实现通信系统的整体安全管理。第第3章章 量子计算量子计算为了满足 6G 预期的大幅提升的通信系统性能和丰富多样的创新业务，第3章将深入探讨如何利用量子计算技术来增强通信能力。首先，考虑到通信本质上是一系列的数学计算，白皮书从计算角度描述了一个分层的通信网络，以便分析通信计算场景和关键问题，包括信号处理、网络优化、业务处理和网络智能化。其次，提出了一种“经典+量子”混合计算平台，该平台拥有强大的计算基础，可提供针对不同领域的定制化计算支持业务，促进研究创新和产品实现。值得一提的是，这种混合计算平台的架构设计遵循了模块化、标准化、广泛兼容、自主安全和智能高效的原则和理念。第三，通过三个示例介绍了量子计算对 6G 的影响，这些示例分别利用量子计算来解决经典通信问题。4/28这三个示例包括：使用滤波变分量子算法(Filtering Variational Quantum Algorithm,FVQE)解决单小区大规模多输入多输出(Multiple-Input Multiple-Output,MIMO)天线优化问题；使用基于相干伊辛模型(CoherentIsing machines,CIM)设计的量子算法解决MIMO波束选择(MIMO beam selection,MBS)问题；以及通过在终端侧应用量子支持向量机(Quantum Support Vector Machine,QSVM)算法获得的相位偏移校正模型来解决毫米波信号相位校正问题，从而降低参考信号开销。第第4章章 未来展望未来展望2023年最后一个季度，我们见证了量子领域的一个行业里程碑，即突破了1,000个量子比特的壁垒，赋予量子计算机前所未有的计算能力。与此同时，来自学术界的专家们创造了迄今为止拥有最多逻辑量子比特（即48个逻辑量子比特）的量子计算机。逻辑量子比特相较于硬件量子比特，有望显著减少量子计算机遭受的大量纠错开销。因此，2024年可能会成为量子计算技术的重要一年，届时量子计算领域预计将从物理量子比特转向纠错逻辑量子比特；与此同时，抗量子密码学研究也将加速发展。5/282.量子通信与网络量子通信与网络2.1 关键技术关键技术2.1.1 量子密钥分发量子密钥分发量子通信利用量子叠加态或纠缠态来实现密钥分发或信息传输，在理论上具有无条件安全性。量子密量子密钥分发钥分发(Quantum key distribution,QKD)是发展最成熟的量子通信技术，其基于量子力学基本原理，并结合“一次一密”的加密方式在通信用户之间传输密钥。2023 年，围绕QKD开展了各种理论和实验，在科研成果和经典量子共传输等方面的研究取得了进展，并且QKD系统的性能进一步提升。由清华大学联合团队通过将测量互补性与量子非局域性联系起来，给出了设备无关 QKD(Dcvice-independent,DI-QKD)协议的安全证明，为DI QKD 的实用化提供了新的理论工具1。由澳大利亚国立大学牵头的联合团队提出了一种测量设备无关的QKD协议，该协议需要制备高维量子态并使用相干总光子数方法进行测量，仿真表明当编码在7维度状态时，它可以在比双场协议更短的距离内突破 PLOB 极限2。由中国电信科学技术研究院牵头的合作项目成功地在光传输网络内演示了高达1 Tbps的总传输数据容量，该实验采用少模光纤在 100.96 公里实现共纤传输，生成为2.7 kbps的安全密钥速率(security key rate,SKR)3。使用固态单光子发射器进行 QKD 实验因其性能的快速提高和与未来量子网络的兼容性而日益受到关注。由英国赫瑞-瓦特大学牵头的联合团队使用 InGaAs 量子点作为单光子源进行了QKD实验，在100公里的距离和一分钟的采集时间内生成了13 kbps的有限密钥4。这些研究成果有助于探索QKD应用并实现大规模 QKD 网络。目前，基于 QKD 和其他技术方案的量子通信系统已经在国内外实现商用。然而，商用 QKD 系统仍面临着安全密钥速率、传输距离、设备体积和成本高等方面的挑战。制备测量方案是商用 QKD 的主要技术手段-，可以-分为两种类型：连续变量 QKD(continuous variable QKD,CV-QKD)和离散变量 QKD(discrete variable,DV-QKD)。CV-QKD 的优势在于可以在城域距离内利用经典通信检测方案实现较高的 SKR。2023 年，山西大学1https:/doi.org/10.1103/PhysRevLett.131.1408012https:/doi.org/10.1038/s41534-023-00698-53https:/doi.org/10.1364/OL.5004064https:/doi.org/10.1038/s41467-023-39219-56/28采用离散调制 CV-QKD 技术在 80 公里范围内生成了 2.11 Mbps 的 SKR5。上海交通大学利用发射端光源集成系统在 50 公里距离上实现了 0.75 Mbps 的 SKR6。丹麦技术大学采用接收端集成方案系统在 10公里距离上实现了 300 Mbps 的 SKR7。滑铁卢大学给出了离散调制 CV-QKD 的有限密钥长度安全性证明，并通过实验演示了 QKD 传输距离可以超过 72 公里，密钥长度为 10128。DV-QKD 实验系统也在不断发展，SKR 和传输距离均取得了一定的提升。2023 年，日内瓦应用物理小组利用多像素超导纳米探测器(Superconducting Nanowire Single Photon Detector,SNSPD)编码的时分制QKD 技术，实现了 10 公里距离上的 64 Mbps SKR9。中国科学技术大学的研究团队利用多像素 SNSPDs取得了双方面的突破：使用基于诱骗态 BB84 QKD 协议10，在 10 公里光纤链路上实现了 115.8 Mbps 的SKR 的新纪录；采用 3 强度发送-不发送双场量子密钥分发协议(Sending-or-not-sending Twin-field quantumkey distribution,SNS-TF-QKD)，实现了在 1002 公里光纤通道上无中继的 QKD。这些研究表明，当前的技术可以满足高带宽通信的加密需求，并且在长距离通信方面也具有可行性。实现 QKD 产业化需要低成本、可批量生产且实用的 QKD 设备。从商业应用的角度来看，量子通信的核心器件，包括 QKD 编码器和解码器，正朝着小型化和高性价比的方向发展。中国信息通信科技集团旗下国家信息光电子创新中心研制了硅基偏振态调制器和解调器。靠着这两个模块，在 150 公里的距离上实现了基于量子位的时钟同步和芯片级偏振补偿，达到了 866 bps 的 SKR11。瑞士日内瓦大学和意大利光子学和纳米技术研究所的研究人员演示了一种基于芯片的 QKD 系统，该系统使用支持高速调制的硅基发射器芯片和铝硼硅酸盐玻璃中的偏振无关低损耗接收器芯片，在 151 公里的距离上实现了1.3 kbps的传输12。2.1.2 量子随机数生成器量子随机数生成器量子随机数生成器量子随机数生成器(Quantum Random Number Generator,QRNG)是一种利用量子力学原理生成真随机数的器件。与传统随机数生成器不同，QRNG 基于真空态噪声、激光自发辐射的量子相位噪声和光子数统计等量子光学原理生成真随机数。它是迄今为止唯一在理论上可证的真随机数生成器，利用量子力学5https:/doi.org/10.1364/OL.4920826https:/doi.org/10.1364/PRJ.4733287https:/arxiv.org/abs/2305.196428https:/doi.org/10.1103/PRXQuantum.4.0403069https:/doi.org/10.1038/s41566-023-01168-210https:/doi.org/10.1038/s41566-023-01166-411https:/doi.org/10.1364/PRJ.48294212https:/doi.org/10.1364/PRJ.4814757/28的不确定性来保证生成高度不可预测且不相关的随机数。QRNG 具有重要的应用价值。在密码学中，真随机数对于密钥生成、加密算法和认证等至关重要。QRNG 可以提供更高的安全性防止密码破解。需要注意的是，QRNG 仅保证生成序列的真随机性，并不包含分发过程的安全性。QRNG 技术正处于开发和改进阶段。许多研究机构和公司致力于研发更高效、更稳定的 QRNG。2023年，来自根特大学牵头联合团队的研究人员通过实验演示了一种超快的随机数生成速率，达到 100 Gbit/s，将基于真空涨落的 QRNG 速率提升了一个数量级，创下新纪录13。英国Quantum Dice公司发布了其最新一代 APEX QRNG，该款生成器具有高达 7.5 Gbps14的后处理随机数生成速率，同时可以集成到现有基础设施中，并具备高安全性特性。德国联邦教育和研究部资助基于芯片级量子随机数生成器项目15，旨在开发一款基于量子光子效应的高速随机数生成芯片，并满足 IT 产品安全共同准则。随着量子科技的进一步发展，QRNG 预计将被用于更广泛的应用领域，并为信息安全和科学研究领域作出重大贡献。2.1.3 量子信息网络量子信息网络量子信息网络量子信息网络(Quantum Information Networks,QIN)是基于量子力学原理的通信网络系统。它利用量子纠缠、量子隐形传态、量子中继等关键技术，旨在实现量子长距离通信、量子计算和量子信息互联网络等功能。QIN 目前是量子信息领域的研究热点，代表着未来通信和计算的前沿发展方向。近年来，国内外都在积极推进量子信息网络的研发和应用，许多实验室和研究机构开展了大量的实验来验证 QIN 的可行性和稳定性。2023年，中国科学技术大学、北京大学的研究人员在“祖冲之”超导量子计算机平台上实现了51位量子比特纠缠，使用了高保真并行量子门，实现了51位的一维簇态和30位的二维簇态，保真度分别为0.637 0.030和0.671 0.00616。北京大学等的联合团队构建了基于芯片的多维量子纠缠网络。该网络由1个中央芯片通过光纤连接3个端芯片构成，利用混合复用技术，在端芯片有效实现了纠缠恢复和全连接，该成果为建设大规模、实用化的纠缠网络奠定了基础17。美国国家标准与技术研究院(National Institute ofStandards and Technology,NIST)搭建了 NG-QNet测试平台，用于验证 QIN 基础组件的功能18。林肯实验室领导的研究团队建造了一个 50 公里的三节点量子网络实验平台(Boston-Area Quantum Network,13https:/doi.org/10.1103/PRXQuantum.4.01033014https:/www.quantum- QIN 的研发。例如，Qunnect 公司与纽约大学合作，成功测试了使用高纠缠量子光子构建的 16 公里长的 QIN 链路22。这些努力和合作有望推动 QIN 的发展和应用。2.2 量子密钥分发标准化活动量子密钥分发标准化活动近年来，主要的标准化组织积极开展了 QKD 相关标准的制定工作，包括中国通信标准化协会(ChinaCommunications Standardization Association,CCSA)、中国密码工业标准化技术委员会(China CryptographyIndustry Standardization Technical Committee,CSTC)、全国信息安全标准化技术委员会(National InformationSecurity Standardization Technical Committee,TC260)等国内机构；国际上则有国际标准化组织(InternationalOrganization for Standardization,ISO)、国际电信联盟(International Telecommunication Union,ITU)和欧洲电信标准化协会(European Telecommunications Standards Institute,ETSI)等组织参与。这些标准的制定涵盖了术语定义、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。2.2.1 中国标准化进展中国标准化进展中国通信标准化协会中国通信标准化协会(CCSA)CCSA 是中国信息通信领域从事通信标准体系研究的标准化组织。CCSA 成立了量子通信和信息技术领域第七专项工作组(7th Special Task Group,ST7)，包括两个子工作组：量子通信工作组(QuantumCommunication Working Group，WG1)和量子信息处理工作组(Quantum Information Processing WorkingGroup，WG2)两个分工作组。ST7 在术语定义、应用场景和需求、网络架构、设备技术要求、QKD 安全性和测试评估方法等方面启动了 25 个标准研制项目。其中，国家标准 GB/T 42829-2023 量子安全通信应用基本要求于 2023 年 8 月 正式发布。另外还有 12 项通信行业标准也已正式发布实施：19https:/doi.org/10.48550/arXiv.2307.1569620https:/uwaterloo.ca/news/science/connecting-canada-and-europe-through-quantum-satellite?utm_source=miragenews&utm_medium=miragenews&utm_campaign=news21https:/journals.aps.org/prapplied/abstract/10.1103/PhysRevApplied.20.02404822https:/www.nyu.edu/about/news-publications/news/2023/september/nyu-takes-quantum-step-in-establishing-cutting-edge-tech-hub-in-.html9/28量子密钥分发与经典光通信共纤传输技术要求(YD/T 4632-2023)量子密钥分发(QKD)系统测试方法第 2 部分：基于高斯调制相干态协议的 QKD 系统(YD/T3835.2-2023)量子密钥分发(QKD)网络 AK 接口技术要求第 1 部分：应用程序接口(API)(YD/T 4410.1-2023)量子密钥分发(QKD)系统技术要求第 2 部分：基于高斯调制相干态协议的 QKD 系统(YD/T3834.2-2023)基于 IPSec 协议的量子安全通信应用设备技术规范(YD/T 4303-2023)量子密钥分发(QKD)网络管理技术规范-第 1 部分：NMS 系统功能(YD/T 4302.1-2023)量子安全通信网络架构(YD/T 4301-2023)基于 BB84 协议的量子密钥分发(QKD)的关键组件与模块-第 2 部分：单光子探测器(YD/T3907.2-2022)基于 BB84 协议的量子密钥分发(QKD)的关键组件与模块-第 1 部分：激光源(YD/T3907.1-2022)基于 BB84 协议的量子密钥分发(QKD)的关键组件与模块-第 3 部分：量子随机数生成器(QRNG)(YD/T 3907.3-2021)量子密钥分发(QKD)系统测试方法-第 1 部分：诱骗态 BB84 协议 QKD 系统(YD/T3835.1-2021)量子密钥分发(QKD)系统技术要求-第 1 部分：(YD/T 3834.1-2021)诱骗态 BB84 协议 QKD 系统(YD/T 3835.1-2021)中国密码行业标准化技术委员会中国密码行业标准化技术委员会(CSTC)QKD 技术涉及密码的生成、管理和使用。CSTC 开展了 QKD 技术规范和评测体系等密码行业标准研究。目前，已经正式发布了以下两项量子相关的密码行业标准：诱骗态 BB84 量子密钥分发产品技术规范(GM/T 0108-2021)诱骗态 BB84 量子密钥分发产品测试规范(GM/T 0114-2021)全国信息安全标准化技术委员会全国信息安全标准化技术委员会(TC260)TC260 是中国信息安全技术领域从事信息安全标准化工作的技术组织，负责组织和开展国家信息安全相关的标准化技术工作。TC260 承担 ISO/IEC JTC1/SC27 等信息安全相关国际标准化组织的相应业务工作。10/28由全国信息安全标准化技术委员会主导推动的量子安全通信领域的两项国际标准提案，ISO/IEC 23837-1量子密钥分发的安全要求、测试和评估方法第 1 部分：要求和 ISO/IEC 23837-2 量子密钥分发安全要求、测试和评估方法第 2 部分：测试和评估方法已经正式发布。2.2.2 国际性标准化进展国际性标准化进展国际标准化组织国际标准化组织(ISO)ISO 是目前世界上最大、最权威的国际标准化机构，国际电工委员会(International ElectrotechnicalCommission,IEC)负责电气和电子工程领域的国际标准化工作。国际标准化组织/国际电工委员会第一联合技术委员会(First Joint Technical Committee of the International Organization for Standardization/InternationalElectrotechnical Commission,ISO/IEC JTC1)是信息技术领域的国际标准化委员会，负责信息技术的国际标准化工作。其中，ISO/IEC JTC1 下设的信息技术安全技术分委会信息安全、网络安全和隐私保护分委会(Information Security,Network Security and Privacy Protection Subcommittee,ISO/IEC JTC1 SC27)负责信息技术安全的一般方法和技术的标准化，包括确定信息技术安全业务的一般要求，开发安全技术和机制，提出安全指南，以及为管理准备支持性文件和标准。SC27 在 2023 年正式发布了由中国主导的两个量子密钥分发相关技术标准：ISO/IEC 23837-2:2023 信息安全-量子密钥分发的安全要求、测试和评估方法-第 2 部分：评估和测试方法ISO/IEC 23837-1:2023 信息安全-量子密钥分发的安全要求、测试和评估方法-第 1 部分：要求:国际电信联盟国际电信联盟(ITU)ITU 是负责信息和通信技术事务的联合国机构，负责制定全球电信标准。ITU 下属的电信标准化部门密切关注量子信息技术的发展及其未来对信息通信网络和产业的影响。ITU-T 量子通信相关标准化工作目前处于世界领先地位。ITU-T 的量子通信相关技术标准包括 Q 系列-交换和信令及其相关的测量和测试，X 系列-数据网、开放系统通信和安全，以及 Y 系列-全球信息基础设施、互联网协议方面、下一代网络、物联网和智慧城市。Q 系列标准中与量子通信相关的部分是 Q.4160-Q.4179：量子密钥分发网络的协议和信令。目前已经正式发布的标准包括：11/28ITU-T Q.4160(12/2023)：量子密钥分发网络-协议框架ITU-T Q.4161(12/2023)：量子密钥分发网络的 Ak 接口协议ITU-T Q.4162(12/2023)：量子密钥分发网络的 Kq-1 接口协议ITU-T Q.4163(12/2023)：量子密钥分发网络的 Kx 接口协议ITU-T Q.4164(12/2023)：量子密钥分发网络的 Ck 接口协议X 系列标准中与量子通信相关的部分是 X.1700-X.1729：量子通信。目前已经正式发布的标准包括：X.1702:量子噪声随机数生成器架构X.1710:量子密钥分发网络的安全框架X.1712:量子密钥分发网络的安全要求和措施-密钥管理X.1714:量子密钥分发网络的密钥组合和保密密钥提供X.1715:集成量子密钥分发网络和安全存储网络的安全要求和措施Y 系列标准中与量子通信相关的部分是 Y.3800-Y.3999：量子密钥分发网络。目前已经正式发布的标准包括：Y.3800:支持量子密钥分发的网络概述Y.3801:量子密钥分发网络的功能要求Y.3802:量子密钥分发网络-功能架构Y.3803:量子密钥分发网络-密钥管理Y.3804:量子密钥分发网络-控制和管理Y.3805:量子密钥分发网络-软件定义网络控制Y.3806:量子密钥分发网络-服务质量保证要求Y.3807:量子密钥分发网络-服务质量参数Y.3808:量子密钥分发网络和安全存储网络集成框架Y.3809:量子密钥分发网络部署的基于角色的模型Y.3810:量子密钥分发网络互联-框架Y.3811:量子密钥分发网络-服务质量保证的功能架构Y.3812:量子密钥分发网络-基于机器学习的服务质量保证要求Y.3813:量子密钥分发网络互联-功能要求Y.3814:量子密钥分发网络-机器学习启用的功能要求和架构Y.3815:量子密钥分发网络-韧性概述12/28Y.3816:量子密钥分发网络-基于机器学习的服务质量保证功能架构增强Y.3817:量子密钥分发网络互联-服务质量保证要求Y.3818:量子密钥分发网络互联-架构Y.3819:量子密钥分发网络-自治管理和控制启用的要求和架构模型欧洲电信标准协会欧洲电信标准协会(ETSI)ETSI 是欧洲的一个独立的非盈利性区域信息通信技术标准化组织。ETSI 在 2008 年就成立了ISG-QKD 标准组，专门探索 QKD 的标准化。ETSI 发布了 12 份技术规范，涵盖术语定义、防护配置文件、系统组件、应用接口、安全证书、部署参数等方面。其中，应用接口、组件和内部接口以及控制接口均已发布了第二版：ETSI GS QKD 016 V1.1.1(2023-04)：量子密钥分发(QKD)：共同准则保护配置文件-成对制备测量式量子密钥分发模块ETSI GS QKD 018 V1.1.1(2022-04)：量子密钥分发(QKD)：软件定义网络的编排接口ETSI GS QKD 015 V2.1.1(2022-04)：量子密钥分发(QKD)：软件定义网络的控制接口ETSI GS QKD 004 V2.1.1(2020-08)：量子密钥分发(QKD)：应用接口ETSI GS QKD 014 V1.1.1(2019-02)：量子密钥分发(QKD)：基于 REST 的密钥传递 API 的协议和数据格式ETSI GS QKD 012 V1.1.1(2019-02)：量子密钥分发(QKD)：用于 QKD 部署的设备和通信通道参数ETSI GR QKD 007 V1.1.1(2018-12)：量子密钥分发(QKD)：词汇表ETSI GR QKD 003 V2.1.1(2018-03)：量子密钥分发(QKD)：组件和内部接口ETSI GS QKD 011 V1.1.1(2016-05)：量子密钥分发(QKD)：组件表征-用于 QKD 系统的光学组件表征ETSI GS QKD 008 V1.1.1(2010-12)：量子密钥分发(QKD)：QKD 模块安全规范ETSI GS QKD 005 V1.1.1(2010-12)：量子密钥分发(QKD)：安全证明ETSI GS QKD 002 V1.1.1(2010-06)：量子密钥分发(QKD)：使用案例13/282.3 对对 6G 的影响的影响2.3.1 车联网中的量子加密车联网中的量子加密中国联通构建了量子密钥云平台，从 QKD 或 QRNG 获取量子密钥，安全存储和管理密钥。通过安全机制，可以将量子密钥分发到用户安全终端，提供高级别的安全保护。利用该量子密钥云平台，我们已经开展了一些量子加密演示，例如量子加密通话、量子公网集群对讲、量子视频会议和量子无人机巡逻。最近，我们展示了车联网场景中的量子加密。在此场景下，指挥调度信号需要高级别的安全性，以确保自动驾驶或远程驾驶下车辆的安全。我们将量子密钥云平台部署在车联网中，并通过专有网络连接到智能交通服务云平台、自动泊车系统和远程驾驶舱。车辆和路侧单元(road side unit,RSU)可以通过承载网络连接。我们可以在平台和系统中集成量子软件开发工具包(SDK)，或者在终端侧部署量子密钥盒，可以从量子密钥云平台获取量子密钥，并对指挥调度信号进行量子加密。量子 SDK 也可集成到车辆的无线通信模块中，为车辆提供网络接入。安全终端和平台使用预加载的量子密钥进行身份认证和初始加密。车联网对网络传输延迟非常敏感，因为车辆行驶速度很快。因此，我们测试了加密/解密导致的额外延迟，并证明对原始服务没有太大影响。图 1 车联网场景中的量子加密14/282.3.2 量子加密与承载网设备集成量子加密与承载网设备集成通常，QKD 网络需要建立额外的光纤，这在承载网络中部署也非常昂贵。我们希望将 QKD 融合到经典通信网络中，这样可以节省光纤资源并利用现有的电信基础设施。G.698.4 系统是一种多通道双向密集波分复用(Dense Wavelength Division Multiplexing,DWDM)系统，可用于前传网络、城域承载网。该系统利用低成本的 C 波段可调谐激光器，并采用双向的 OD/OM/OADM 技术。对于城域或接入应用，其最大覆盖距离约为 20 公里，并且不使用光放大器。G.698.4 系统不包含光放大器，这在 QKD 系统中是不允许的。此外，CV-QKD 是一种新型技术，对经典通信引起的噪声具有更强的鲁棒性，并且比 DV-QKD 便宜得多。因此，将 CV-QKD 与 G.698.4 设备集成非常方便。如图2所示，我们将 CV-QKD 与 G.698.4 设备集成。该设备包括 QKD 模块、光通信模块、WDM 模块、加密模块和控制模块。CV-QKD 的量子信号使用 WDM 模块与 G.698.4 系统的波长复用，并通过相同的光纤传输。经过共传输后，量子信号在接收端由 WDM 模块分离。QKD 模块产生的量子密钥被发送到加密模块，可以将明文数据转换为密文。我们还将QKD控制功能集成到G.698.4中，以实现加密参数设置，例如加密方法、量子密钥有效期。图 2 CV-QKD 与 G.698.4 设备的集成2.3.3 量子通信安全量子通信安全量子通信是一种利用量子力学原理进行信息传输的新型通信方式，它利用量子态的特殊性质，例如量子叠加态和量子纠缠，实现信息的安全传输。量子密码技术是量子通信安全的核心技术，是量子通信技术的基础。量子密码技术是指利用量子态作为信息加密和解密的核心技术，其中 QKD 结合了量子力学和量子密码学的原理。量子密码技术通过利用量子态生成和分发加密密钥来确保密钥的安全性。15/28量子密码技术主要通过量子密钥实现机密传输，数据机密性通过相应的单光子量子交换来实现。在量子密钥层，量子密钥将为每个用户提供相应的量子密钥通信服务。在实际传输过程中，单光子的量子形式难以被观察和复制，并且在传输过程中使用“一次一密”的方法。因此，只有双方同时使用各自的密钥才能实现数据信息的解密，从而可以提高传输过程中的数据信息机密性，并确保数据信息不会被窃取和篡改。通过在 6G 网络中部署量子密码技术，实现通信系统的整体安全管理。量子密码技术将量子密钥作为主要保密手段，为 6G 通信中具有相应权限的用户分发量子密钥，在数据存储和传输过程中进行非顺序替换和形态变化，实现 6G 通信的端到端安全保障。16/283.量子计算量子计算3.1 通信计算场景及关键问题通信计算场景及关键问题通信的本质是一系列数学计算。从计算的角度来看，通信网络可以简单地分为物理层、网络层和应用层，如图 3 所示。其中，物理层物理层主要负责通信信号处理，网络层网络层负责拓扑、接入、路由、资源管理，应用应用层层则主要负责服务优化和流量管理。为了提高处理性能，机器学习机器学习(machine learning,ML)被引入到每一层，并成为通信领域一种特殊的重要计算场景。此外，每一层的安全性安全性一直是默认的计算场景。图 3 计算视角的分层通信网络3.1.1 信号处理信号处理通信信号处理是通信的基础计算。以无线信号处理为例，信号处理涉及发射端和接收端双方的信号变换、滤波、编码、解码、调制、解调、传输、检测、估计和干扰协调等操作。对于大规模 MIMO 系统、大带宽正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM)系统和大规模终端接入系统，信道估计、预编码、信号检测以及信道编码和解码等信号处理的计算复杂度会显著增加。大规模 MIMO 信号处理。大规模 MIMO 信号处理存在于大规模天线阵列系统、分布式天线系统和蜂窝无蜂窝系统中，涉及信道估计、预编码、信号检测等处理过程，包括矩阵乘法、求逆、张量积、共轭转置、分解等高维矩阵运算。这些基本操作需要大量的计算资源，对系统设计提出了重大挑战。目前，为了解决这个计算问题，通常采用压缩感知或关键参数估计等方法，利用高维信号的稀疏特性，以较小的计算代价实现有效的信号处理。大规模终端接入信号处理：无线通信系统连接的终端（用户）数量日益增加。在多个终端共享接入资源的情况下，随着终端数量的增加，无线接入信号的维度也会增加，给信道估计、多用户信号检测和干扰17/28协调带来困难。高频率和大带宽信号处理：毫米波、太赫兹和可见光频段可以提供更大的带宽，但宽带无线信号带来更大的矩阵运算和信道编码解码，尤其是长码的复杂性。另一方面，高频宽带无线系统也将用于目标测距、测速、测角等定位场景，需要进行雷达信号计算。3.1.2 网络优化网络优化网络优化的总体目标是通过网络拓扑、功能、服务、参数和资源等方面的优化方法来提高客户满意度。网络拓扑优化是指在满足整体流量传输和灾难恢复备份需求的前提下，尽量降低整体网络建设成本。网络拓扑优化贯穿于网络规划、网络建设和网络运维的每一个环节。与此相关的是路由优化。网络覆盖优化是指通过网络参数配置最大化网络覆盖范围，主要包括盲区、弱区、重叠区和导频干扰区优化。对于大规模天线系统，需要优化的信号波束和数据波束参数较多，优化空间大，问题复杂。网络容量优化是指合理分配用户流量到网络资源中，以最大化系统容量。无线网络容量优化主要包括单站多用户接入控制、多用户调度和负载均衡。网络节能优化是指在满足既定服务需求的情况下，以最低的能源消耗成本为目标，重点优化最小速率约束下的功率控制、基站/载波切换和计算任务卸载/迁移。3.1.3 业务处理业务处理业务处理主要指网络中的源信号处理和业务优化。大规模多模态业务的发展对计算能力提出了更高的要求。源信号处理是指对图像、视频、语音、文本等源内容进行采样、量化、表示、编码、压缩、传输和重构等一系列计算过程。随着元宇宙业务的逐步兴起，对 3D 视频的预制作或实时渲染需要更高的计算能力。近年来，基于自然语言处理、计算机视觉、语音识别等 AI 服务，特别是基于大型模型的业务，更是爆炸式地增加了计算能力需求。同时，语义通信技术取代符号表示，采用语义表示，提供了一种新的源编码传输方式，也为源信号处理带来了新的计算场景。业务优化是指通过调整网络和服务设备、功能、参数等，使网络状态与服务状态相匹配，保证端到端18/28的业务质量。业务优化的重点包