中新社酒泉8月16日01时40分,中国在酒泉卫星发射中心用长征二号丁运载火箭成功将全球首颗量子科学实验卫星(简称量子卫星)发射升空,此次发射任务圆满成功,标志着中国空间科学研究又迈出重要一步。

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;在空间尺度进行量子纠缠分发和量子隐形传态实验,开展空间尺度量子力学完备性检验的实验研究。

中国自主研发的量子卫星突破了一系列高新技术,包括同时瞄准两个地面站的高精度星地光路对准、星地偏振态保持与基矢校正、星载量子纠缠源等工程级关键技术等,卫星设计寿命为两年。量子卫星的成功发射和在轨运行,将有助于中国在量子通信技术实用化整体水平上保持和扩大国际领先地位,实现国家信息安全和信息技术水平跨越式提升,有望推动中国科学家在量子科学前沿领域取得重大突破,对于推动中国空间科学卫星系列可持续发展具有重大意义。

本文就量子通信的有关概念、国内外量子通信发展现状及涉及生产企业同大家共享

一、量子通信概念

1-1. 量子通信概念

量子通信,是利用量子纠缠效应进行信息传递的一种新型的通讯方式,是量子论和信息论相结合的新的研究领域。

量子通信主要涉及:量子密码通信、量子远程传态和量子密集编码等,近来这门学科已逐步从理论走向实验,并向实用化发展。

按照所使用的信道不同,量子通信主要分为两种:广义的量子隐形传送与狭义的量子密码通信。

广义的量子通信

通常指的是量子隐形传送(Quantum Teleportation),其利用量子纠缠态的特性,通过将某个粒子的未知量子态传送到另一个地方来实现信息传递。通信过程中传输的只是表达量子信息的“状态”,并不传输作为信息载体的量子本身。即把另一个粒子制备到该量子态上,而原来的粒子仍留在原处。

狭义量子通信

通常是指量子密码通信(Quantum Key Distribution),即利用量子状态来作为信息加密和解密的密钥。量子密钥分配以量子态为信息载体,基于量子力学的测不准关系和量子不可克隆定理,通过量子信道使通信收发双方共享密钥,是密码学与量子力学相结合的产物。QKD (量子密码通信) 技术在通信中并不传输密文,只是利用量子信道传输密钥,将密钥分配到通信双方。

目前量子通信总体方案是尽量采用现有光纤量子通信线路,在其上面添加核心量子设备,建立 QKD(量子密码通信) 中心。而远程量子通信的最终实现将依赖于量子中继:在空间建立许多站点,以量子纠缠分发技术先在各相邻站点间建立共享纠缠对,以量子存储技术将纠缠对储存,采用远距离自由空间传输技术实现量子纠缠转换,即增长量子纠缠对的空间分隔距离。

1-2. 量子通信的主要优点

(1)具有无条件安全性。量子通信技术的信息安全是基于量子密码学,并以量子状态作为密钥而突破了传统加密方法的束缚,明显具有不可窃听、不可复制性和理论上的“无条件安全性”。任何截获或测试量子密钥的操作,都会改变量子状态,量子通信总会确保两地之间密钥分配和通信的绝对安全性。量子通信对于信息的加密也不再是要依靠传统加密技术所依赖的复杂算法,而是靠物理法则来保证,由此被认为是保障通信安全的终极技术手段。

(2)具有较强抗干扰能力和传输能力。在信息传输通道方面,量子信息传递过程不会为任何障碍所阻隔,线路时延可以为零,因此能实现最快通信,并且不存在任何电磁辐射污染,整个通信程序完全达到充分环保。在通信远距离方面,量子通信属于远距离通信,量子隐形传态具备穿越大气层的能力,而这就为未来基于卫星量子中继的全球化量子通信网奠定了基础。

(3传输效率极高。根据量子力学的叠加原理,一个n维量子态含有2n个态信息,而量子并行性使得量子计算机可以同时对2n个数进行数学运算,因此使用量子计算机对n维量子态进行传输,效率显著提高。

1-3. 量子通信主要应用领域

量子通信在军事、国防、金融等信息安全领域有着重大的应用价值和前景,不仅可用于军事、国防等领域的国家级保密通信,还可用于涉及秘密数据、票据的政府、电信、证券、保险、银行、工商、地税、财政等领域和部门,而技术又相对成熟,未来市场容量极大。

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1-4. 量子通信产业链

量子通信产业链上游主要是信号处理芯片、雪崩光电二极管(APD)等元器件及各类核心设备。国内能够提供核心设备的公司并不多,主要包括国盾量子(浙江东方参与出资成立)、问天量子和神州量通(都飞通信控股51%)。国外厂商主要包括瑞士IDQ公司、美国Bennet公司等。

量子通信产业链中游主要包括网络传输干线提供商和系统集成商。以量子保密通信“京沪干线”技术验证及应用示范项目为例,提供传输干线服务的公司是中国有线电视网络有线公司,提供系统集成服务的公司包括神州数码系统集成服务有线公司(神州信息子公司)、中国通信建设集团有线公司(中国通服子公司)等。

量子通信产业链下游主要是各种行业应用与运营,如金融、军事、政务、商务等领域。提供的产品包括量子电话、基于量子保密技术的IDC、量子白板等。

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1-5.量子通信核心设备

量子通信核心设备是量子保密通信产业链中最核心的一个环节。核心设备主要包括量子密钥分发设备、量子交换机、量子网关、量子网络站控、量子随机数发生器等。

(1)量子密钥分发设备:量子密钥分配终端(QKD)主要负责量子通信过程中密钥的收发。密钥分配终端根据结构的不同,可以分为收发独立型结构和一体型结构。收发独立型设备是指发送端机和接收端机分为两个独立设备,也称为单向量子密码系统。收发一体型设备包含量子密钥发射端和接收端,也称为双向量子密码系统,组网较为灵活。

量子密钥分发网络密码机,将量子密钥分发技术与传统商用密码技术有效融合,可实现大容量、高性能的网络数据加密传输。相比传统网络安全设备,该产品不仅确保了敏感的密钥分发过程的安全性,而且密钥更新速度更快、业务密钥生命周期更短,从而使系统的安全性得以大幅提升,满足了各种基于网络的应用系统对信息安全的需求。

(2)量子安全网关:量子安全网关是量子通信组网中的核心设备,是完成量子密钥分发的最基本器件。量子密钥由量子网关通过光纤链路分发。量子网关内部集成有光源、探测器和电子学板卡,能够实现普通电话、传真、IP电话、视频会议及文件传输等的应用接入,对语音、视频、数据等使用量子密钥进行高安全保密通信。按所处区域不同,量子网关分为可信中继量子网关和普通量子网关。

量子网关主要完成以下功能:量子密钥分发与管理;数据加解密:加解密算法可根据业务类型、优先级、密钥类型等选择;应用接入:为普通电话、传真、VOIP电话、视频会议提供标准接口;网络接口及其他功能。

(3)量子交换机:量子交换机用于多个QKD终端设备间量子信道的搭建,是量子通信网络中实现量子信道共享的设备,位于网络拓扑的汇聚节点,集中管理网络信道资源。光量子交换机按光路切换类型可分为全通型和矩阵型。全通型量子交换机可以实现所有光端口两两互联,矩阵型光量子交换机可以实现内外光端口互联。

(4)量子网络站控设备:量子集控站,由光量子交换机、量子通信服务器和量子密钥分发终端组成。利用多个量子集控站组成多种网络拓扑,可以提高组网的灵活性和稳定性,能方便地对量子通信网络进行扩展,扩大量子通信网络的覆盖面积,大大扩展通信距离。中国已建成的“合肥城域量子通信试验示范网”和“济南量子通信试验网”,都是基于量子集控站实现的多用户量子通信网络。

(5)量子随机数发生器:量子随机数发生器是基于量子物理和量子效应而产生的真随机数的系统,在实用化量子密码系统等对随机性质量和安全性要求较高的领域具有重要的应用。比特率是量子随机数发生器最重要的指标。早期的量子随机数发生器利用单光子路径选择方案,比特率仅为4Mbps。

实用化量子通信领域一个重要目标是将量子密码系统的工作频率提升至10GHz,需要至少50Gbps以上的量子随机数发生器对单光子脉冲进行调制编码。在日前举办的“光纤通信50年高峰论坛”上,上海交通大学教授王寿泰透露,最近,中国科学技术大学潘建伟、张军等和英国牛津大学的同事合作,发展了基于激光相位波动的超高速量子随机数产生技术,利用功率实时反馈等手段,实现了无需温控的高稳定度干涉仪,可将半导体激光器中自发辐射光子的量子相位波动信息转化成强度信息,进行超高速采样。实验实现了68Gbps的高速量子随机数发生器,和此前的最快速率相比,提高了一个数量级,成为世界上最快的量子随机数发生器。

二、国外量子通信发展现状

国外量子通信概念自1984年开始提出,1992年后开始得到重视、逐渐发展,至今整个产业链日趋成熟,开始步入应用推广阶段。

国外量子通信产业比中国更早的步入实用化,量子通信科技产业实体中较为知名的有美国BNN(雷神子公司)、MAGIQ TECH以及瑞士的IDQ,它们能够提供初步商用化的量子密钥分发系统器件、终端设备和整体应用解决方案。

其中IDQ 是量子密钥生成的世界领导者,量子安全加密类产品主要有量子网络安全加密,量子密钥分配,量子密钥生成等。BNN 科技公司为雷神公司全资子公司,擅长量子计算,参与美国情报高级研究计划局(IARPA)发起的量子计算机科学(QCS)项目研究。

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三、中国量子通信发展现状与规模预测

3-1. 研究和试验进程

在量子保密通信这场国际化竞争中,中国尽管属于后来者,但起点高,进展快,在应用研究的多个方面已经达到了世界先进水平,特别在城域量子通信关键技术方面,已经达到了产业化要求,处于世界领先水平。

2015 年10 月,浙江神州量子计划建设国内首条量子通信商用干线“杭沪量子商用干线”,投资金额1.7 亿元,建成后有望实现沪杭区域内通信数据的绝密传输;通信干线方面,我国预计在2016年底前后建成世界最远距离的光纤量子通信干线京沪线;在城域网方面,我国已完成合肥、济南两个量子通信城域网的建设;我国领先于欧美于2016年8月实现量子科学实验卫星发射。

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3-2. 示范应用

我国从2010年至今,已陆续建立了多个量子通信城域示范网络,政府各部门为主要使用对象,对各种保密资料的存储和传输提供安全加密。2010年5月我国在芜湖市建立的世界上首个量子政务网。

2012年2月连接新华社新闻大厦和新华社金融信息交易所的‚金融信息量子保密通信技术验证专线在北京开通,标志着量子通信在金融信息安全领域应用开端。

2015年2月工商银行北京分行电子档案信息在同城间实现量子加密传输,量子通信拓展在银行业信息安全应用。这是量子通信技术在国内银行业的首次成功应用。

2016年9月底‚京沪干线建成同时,上海陆家嘴金融量子保密通信应用示范网也将同时建成。届时中国银监会、工商银行、民生银行、北京农商银行、交通银行、浦发银行、东方证券、国泰君安期货和华安基金等多家金融部门将成为第一批用户。

军用通信指挥控制专网(C4ISR)是现代军队的神经中枢,中国目前处于建设初期,中国产业信息网显示未来三年C4ISR投资年复合增长率将超过25%,在2018年投资将达到1440亿元,军用专网基本上都需要加密。

军用通信指挥专网C4ISR,将数字化战场上的指挥中心、各级指挥所、各参战部队和武器平台连接起来,通过对获取战场信息、信息传输、信息分析处理、辅助作战决策、下达行动指令、引导武器攻击、评估攻击效果等各个作战环节的整体控制,将原专长于不同领域作战的军种部队连接成一个有机整体,提高各基本作战单元的作战效能。未来也将逐步采用量子通信加密保障绝对安全。

预计军用通信指挥专网2018年投资超过千亿。

3-3.中国量子通信产业链

目前,国内已经初步形成从量子通信核心器件生产,到量子通信设备制造,再到中下游的量子通信传输网络建设和量子通信网络运营与应用的产业链。

保守估计未来3年,国内的量子通信网络建设投资规模将达75亿元。考虑到未来量子通信干线需要进行二期升级投入和扩大覆盖范围,全国有300多个地级市,如果全部建设量子通信城域网将带来约350亿元的新增投资。

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上游

量子通信所使用的元器件、光纤等器件,与传统通信所使用的没有特别大的差异,理论上不会对器件供应商造成太大影响。但需要注意的是:量子通信的一些核心器件,如单光子探测器,仍主要依赖于进口,目前近距离设备国产可大致代替进口,但是百公里(长距离)设备预计还需一年或者更长时间来实现进口替代。

这与信息安全的自主可控还有一定差距,给相关公司带来巨大商机,中国电科集团旗下部分研究所已经开始产业化进程,预计将有更多公司进入该领域。

另外,还有很多器件没有实现专用化,目前量子通信中的设备器件大多是从现有网络挪过来用,缺乏大规模的专用器件生产,该领域内的公司目前也在积极布局专用器件生产。

中游

中游的量子设备与解决方案提供环节是整个量子通信产业链的核心环节。量子设备主要包括量子网关和量子交换机。量子网关是当前量子通信技术的最核心设备,具有量子密钥分发与管理、数据加解密等功能。量子交换机是量子网络中实现量子信道共享的关键设备,位于网络拓扑的汇聚节点,集中管理网络信道资源。

国内主要是科大国盾、问天量子掌握量子通信的核心技术,研发量子通信核心设备,推动产业的发展。都飞通信也已经部分自研。

全球主要的量子设备与解决方案提供商包括:中国的科大国盾、问天量子、瑞士的IDQuantique和美国的MagiQ四家公司。

下游

针对军用、民用客户的不同需求,未来会产生越来越多的公司利用现有的QKD 加密技术做终端、系统等开发。比如:阿里巴巴与中科大合作,在2015年10月云栖大会推出了首款商用量子加密终端;凯乐科技与中创为合作,联合实现数据链量子加密产品产业化并预计在2016年10月份推出原型机。

中国量子通信产业链与涉及主要企业

国内已经初步形成从量子通信核心器件生产,到量子通信设备制造,再到中下游的量子通信传输网络建设和量子通信网络运营与应用的产业链。

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3-4. 量子通信产业规模增长与预测

根据预测,国内量子通信短期市场规模在100-130亿元左右,长期市场规模将超过千亿。

短期市场规模

专网:市场规模预计到2017年将达到180亿左右,按照届时20-25%的专网采用量子通信,专网领域量子通信的市场规模在35-45亿元。

公众网:按照3-5年内量子通信渗透率4-5%测算,公众网领域量子通信的市场规模在50-60亿元。

云安全及特殊领域:随着云计算、IDC/CDN等的飞速发展,按照Gartner的估算,2017年全球云安全市场规模有望达到240亿兀(41亿美元),5年内,量子通信在国内云安

全领域的市场规模预计在10亿元。特殊应用领域,在十三五规划指引的带动下,预计将会加速应用至空、天及其他领域,市场规模预计在10-20亿元。

3-5年内,量子通信市场规模有望达到100-130亿。预计短期催化剂主要包括:十三五规划等政策层面的推动、政务和军事专网的信息安全需求加强、高校等科研机构的

产业化动力增强、量子通信技术在公众通信网的现网测试和小范围应用。

长期市场规模

在5-10年内,预计在十三五等顶层设计的推动、科研的持续投入、技术成熟度提高和产业化加速,市场规模有望进一步扩大,尤其是在互联网领域,信息安全问题刻不容缓。经过国内的规模化市场应用,随着一带一路大政策等技术和产品的海外拓展,量子通信很可能逐步打开海外市场。

到2025年预计专网市场规模达到500亿,量子通信渗透率60%;预计公网市场年投资达到2000亿,量子通信渗透率30%;预计云安全及特殊领域的规模达到500亿,量子通信渗透率60%;合计市场规模=50060%+200030%+500*60%=1200亿,达到千亿级。

四、中国投资机遇与发展挑战

4-1.投资机遇

基于量子保密通信IDC领域投资机会

京沪干线建成之后,IDC领域是量子保密通信商业应用的一个天然市场。工行2015年已经利用量子通信技术,实现了北京数据中心敏感信息的加密传输,未来IDC市场将会有更多高安全性、高保密性的需求,而能够提供基于量子保密通信技术的IDC将成为稀缺资源。中经云、国盾量子及中国开发性金融促进会共同成立的中经量通正是致力于基于量子保密技术IDC的设计、建设、运营服务的公司。与中经量通存在股权关系的上市公司包括科华恒盛和宁波建工。

科华恒盛:公司参股中经量通,与国盾量子合作,将量子加密技术引入到公司北京、上海地区高品质IDC当中,为金融、政府、军队等提供高安全的IDC服务。公司目前北京IDC机房运营的机柜规模接近2000个,上海IDC项目规划机柜规模4000余个。

宁波建工:公司参股融美科技,融美科技持有中经量通母公司中经云60%股权。宁波建工也将参与到高安全IDC的建设和运营当中。此外,中经云在北京规划10000余个机柜的高品质IDC正在筹建之中。

量子通信干线建设运营投资机会

量子通信干线建设是量子保密技术商业化应用的前提。除了京沪干线、杭沪干线外,未来3-5年,国内会有更多量子通信保密干线的投建需求,为各类应用提供基础资源。浙江神州量子通信技术有限公司是一家主要致力于量子通信干线、网站建设与运营的公司,且承担着沪杭干线的研究、设计、建设和运营的工作。与神州量通存在股权关系的上市公司主要包括都飞通信(新三板)和浙江东方。

都飞通信:公司持有神州量通51%股权,于6月13日挂牌新三板,公司在获得资金注入后,将转型升级,向量子通信干线试验和推广的方向发展。

浙江东方:公司通过杭州兆富投资合伙企业间接持有神州量通部分股权,同时杭州兆富也是国盾量子的出资人之一,未来将参与国内量子通信干线的投资建设之中。

量子通信干线建设过程中,也需要很多优质的系统集成商参与,建议关注神州信息(多次中标京沪干线工程项目)、四创电子和国舜科技。

4-2. 发展面临的挑战

从技术角度来看,量子通信的商用仍面临一些挑战

首先,量子通信在成码率、稳定性、抗干扰性能还存在一些局限性。在现有条件下,基于量子密钥分配或量子隐形传态的通信技术很难超越经典通信系统在通信速率、通信距离、抗干扰等方面的性能。现有的光量子传输速率仍达不到光纤传输的。光纤量子密钥分发系统安全码率在10KM传输距离下达1Mbps,最远传输距离达300KM。

第二,理想的量子通信协议在现实技术条件下难以实现。就单光子通信而言,单光子源生成、量子态控制及量子测量等技术并不成熟。第三,光子损耗及量子退相干问题。在对量子通信过程中,如何尽量减小光子损耗,保持量子特性不被破坏,减少量子退相干效应是目前技术难题。

从产业化角度来看,量子通信的商用仍面临一些挑战

目前的量子通信还存在一些亟待解决的问题:首先采用量子通信技术进行数据的传输,传输成本可能比经典通道传输信息要更高,如何在提升性能的同时降低成本是一个值得探索的问题。其次,目前量子通信项目的开展主要以高校、科研院所为主,是一个小范围游戏,市场其他设备厂商、集成商参与范围很小,不利于产品的产业化和推广。第三,目前国内仍未有量子通信相关标准。需要将目前的技术进行专利化和标准化,才有利于产业的发展。

附件1. 量子通信设备主要供应商

1、国盾量子

科大国盾量子技术股份有限公司,中国最大的量子通信设备制造商和量子信息系统服务商。目前拥有中国最多的量子通信领域技术专利,自主研发的系列化产品涵盖量子通信网络设备、终端设备、核心器件、科学仪器,以及系统性的管控和应用软件等,并提供信息安全整体解决方案。主要产品为量子网关、光交换机、集控站、量子接收机等。同时是合肥城域量子通信试验示范网、金融信息量子通信验证网、济南量子通信实验网、和京沪干线主要合作方。

2、都飞通信

浙江神州量子通信技术有限公司,是从事量子通信干线及网络建设和运营的企业,主营业务为量子通信干线建设,目前公司主要承担杭沪量子通信干线的建设任务。杭沪量子通信干线总长约160 公里,总投资约1.7 亿元,预计2016 年建成,将与京沪干线对接,初步形成量子通信纵向干线。公司以量子通信网络建设运营为核心,向上游的量子通信设备、器件、半导体材料等领域延伸和下游的量子通信应用领域开拓,打造量子通信上下游产业链一体化生态圈,成为量子通信行业发展领军企业。

3、安徽问天

中国首家从事量子信息技术产业化的高新技术企业,同时也是中国量子密码标准制订工作组牵头单位,是国家密码管理局认证的商用密码产品生产定点单位,拥有国家三级保密资格及公用普通密码资质。公司已完成的主要项目是与中科大一起在芜湖市完成了‚芜湖量子政务网,芜湖量子政务网是公司建立的世界上首个多层级的试运行量子密码网络。公司自主研发的系列化产品涵盖量子密码通信终端设备、网络交换/路由设备、核心光电子器件、开放式实验系统、科学仪器以及网络化安全管控和应用软件等,并提供量子信息安全系统整体解决方案。

问天量子成功打造出国内最快、全球第二的2GHz量子密钥分配终端、国内最远的260Km量子密钥分发、以及规模最大的合肥—芜湖广域量子密码通信网络等一系列处于世界先列的研究成果。其量子产品主要分为:(1)弱光激光器,普通激光器,要求稳定。(2)调制器(3)普通光纤(4)量子路由器和交换机,公司有专利(4)单光子探测器(接收端),难度大,国内只有安徽问天和安徽量子两家可以做。

4、ID Quantique(IDQ)

世界领先的quantum-safe 加密解决方案, 成立于2001 年,是瑞士日内瓦城的一家私人公司。是世界上第一个在现实网络环境中部署量子密匙分发的公司;也是第一个在多路复用网络中为商业客户部署QKD的公司。

成立之初主要是证明量子密钥分发的可行性的项目研究,2001 年推出了商用量子密钥分发系统。2004年9月,公司正式宣布安装成功第一个量子保密通信系统。自2010年起公司在全球商业和政府市场开始推出quantum-safe加密解决方案。2013年公司又从Qwave资本获得额外的450万美元资金以扩大其市场份额。公司为金融行业、全球企业和政府组织等提供quantum-safe 网络加密、安全的量子密钥生成和量子密钥分发解决方案;

公司还基于量子物理学开发和使随机数生成器商业化,用于包括安全、游戏和彩票等多个行业;此外,公司是光学仪器产品的领先供应商,尤其是光子计数器及相关电子产品,公司创新的光子解决方案用于商业和研究应用,比如短脉冲激光源和QKD 研发程序的开发平台等。目前IDQ与Battelle合作,已经着手在哥伦比亚市和华盛顿地区建立长达650公里的量子通信线路,进一步计划建立起连接包括Google、IBM、微软等公司的数据中心,总长超过10000公里的环美国量子通信网络;同时2015年公司与Acronis安克诺斯合作推出领先全球的量子加密安全技术解决方案,为企业提供云端数据保护。

5、MagiQ

美国MagiQ技术有限公司,成立于1999年,是美国私人公司,产品主要包括光纤,高速电子器件和射频、音响和软件等。MagiQ还拥有研究实验室,实验室主要提供定制的产品、工程设计和合同研发服务光学、量子信息、光纤传感、航空航天和国防应用程序。

推广合作也是直接与私人公司和政府机构,如美国海军军队、美国国防部高级研究计划局、NASA。公司与政府客户的合同技术有了新的突破,公司不断通过创新满足客户的要求。

公司开发出一种高效光纤耦合的纠缠光子源(EPS)。可以提供高通量polarization-entangled光子兼容现有的DWDM 光纤网络;公司正在开发一个复杂的脉冲程序员用来生成任意形状的射频脉冲序列与sub-picosecond 时间抖动。这个项目将为量子计算开放强大的新功能以及一系列的其他应用程序,如医疗仪器和通信测试设备领域。

6、朗研光电

上海朗研光电科技有限公司(朗研光电)创立于2009年,公司落户于上海杨浦区理工大学国家科技园。公司占地1500平米,具备独立的超净间光学实验室、齐全的光电测试设备和多条装配生产线。作为一家创新型高新科技公司,朗研光电一直致力于光纤激光器、量子保密通信系统、单光子探测器和窄脉冲激光器等相关产品的自主研发和生产。

附件2. 中国量子通信概念股上市公司一览

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