報告出品方：東吳證券

以下爲報告原文節選

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1. 量子信息：量子力學與信息技術的交叉

量子的特性，帶來信息科學變革的可能。量子代表的是一種不可再分的基本單位。

在微觀世界，只要是不可再細分的概念，都可以叫做量子化，比如光子就是不可再分的基本粒子，所以光子也叫光量子。量子信息的兩個重要特性，是得以改變信息科學的重要依據。一是量子的“疊加態”；二是量子“糾纏”。疊加態是指量子位（qubit）可以同時處于 0 和 1 的狀態。這種能同時表示兩種或多種狀態的特性稱爲量子疊加。量子糾纏是指當兩個或多個量子位糾纏在一起時，無論它們之間的距離有多遠，一個量子位的狀態改變會即刻影響到另一個。

量子信息包括量子計算、量子通信和量子測量三大領域。20 世紀 80 年代以來，量子力學與信息科學交叉，産生了一門新的學科——量子信息（quantum information）。量子信息主要包括量子計算、量子通信和量子測量三大領域，在提升計算困難問題運算處理能力、加強信息安全保護能力、提高傳感測量精度等方面，具備超越經典信息技術的潛力。

2. 量子計算

2.1. 量子計算的定義與優勢

量子計算按照既定的算法和程序，對量子態進行操控和測量的過程。量子態的演化過程，對應的就是一個量子計算過程。量子計算是量子信息技術的核心。沒有量子計算，量子技術其他領域的發展，不足以動搖現有信息技術的根基。

量子計算利用的是量子疊加的特性。多個量子比特與同樣數目的經典比特比較，差別是指數級的。N 個經典比特一次表示的數字只有 1 個，N 個量子比特一次能表示的數字數目爲 2 的 N 次方。當 N=250 時，可以表示的數字數目比宇宙中所有原子的數目還要多。

量子計算以量子比特爲基本單元，對傳統計算機來說，兩個比特能表示四個數，也就是 00、01、10、11，但某個具體的時刻只能有一個值。但對于兩個量子比特，這四個值可以同時存在。隨著量子比特數的增加，能同時表示的數也會指數級的增加，N 個量子比特就可以同時有 2 的 N 次方個值，這就相當于在同一個時刻，可以進行 2 的 N 次方個運算。

與經典計算機不同，量子計算機的算力隨量子比特的數目不是線性增加，而是指數增加的。

2.2. 量子計算的發展現狀與瓶頸

在目前階段，實驗室能夠制備的量子比特的退相幹時間不夠長，操控的精度也有限，還遠未達到要實現量子計算指數加速的要求。

量子計算在理論和實驗層面都經曆了多個發展曆程，主要有以下幾個階段。

初步概念階段（1980-1994）：1980 年代初期，Paul Benioff 提出將量子力學原理用于模擬圖靈機的想法，成爲量子計算理論研究的起點。理查德·費曼（Richard Feynman）和大衛·多伊奇（David Deutsch）分別于 1982 年和 1985 年提出了量子系統和量子圖靈機的概念。

算法和理論發展階段（1994-2000）：1994 年，彼得·秀爾（Peter Shor）發明了 Shor算法，證明了量子計算機在解決特定問題上超越經典計算機的潛力。1996 年魯弗（Lov Grover）發明了 Grover 算法，可以在無序數據庫中以平方根的時間複雜度查找特定元素。

實驗驗證和技術進步階段（2001-2010）：研究小組開始使用不同的物理系統（如離子陷阱、超導電路、光子等）實現量子比特和量子邏輯門，證實了量子計算的實際可行性。

商業化和標准化階段（2011-現在）：2011 年以後，隨著技術的成熟和投資的增加，多家公司（例如 Google、IBM、Intel、Rigetti Computing 等）開始研發量子計算機，並通過雲服務形式提供用戶遠程訪問量子計算資源。

從上世紀八十年代開始，量子計算經過了基本物理思想和初級原理的驗證，現在進入了所謂的“中等規模帶噪聲的量子計算時代”。“中等規模”是指現在能比較可靠操控的量子比特數大約在幾十到幾千的水平；“帶噪聲”指的是對量子比特的門操作有一定的誤差，量子態的讀取也存在一定錯誤，還無法實現精確的量子計算。這是量子計算技術發展必然要經過的一個階段，也是量子計算各種路線探索和人才積累的關鍵階段。

近年來量子計算應用探索廣泛開展，但目前尚未在實用化問題中展現出有現實意義的量子計算優越性，仍處于原理性與可行性驗證的探索階段。

量子處理器硬件性能水平距離實現大規模可容錯通用量子計算還有很大差距。中國信通院技術與標准研究所所長張海懿表示，當前，在量子計算領域，超導、離子阱、光量子、中性原子、硅半導體、金剛石色心和拓撲等主要技術路線並行發展，整體上依然處于中等規模含噪聲量子處理器階段，量子糾錯已實驗驗證突破盈虧平衡點。超導技術路線是有望率先實現量子糾錯和突破殺手級應用的“種子選手”之一，中性原子路線今年在技術路線競爭中異軍突起，量子物理比特規模提升和糾錯實驗發展迅速，有望成爲一匹“黑馬”。總體來說，未來仍需業界長期艱苦努力攻關。

量子計算機發展的制約因素主要有以下幾個方面：

溫度限制：全球各地的量子計算機都只能在約 0.1 開爾文（-273.05℃）的極寒溫度下工作，然而實現這種低溫又是超導量子的特性，不在低溫下就發揮不出來，而達到這樣的溫度需要數百萬美元的制冷。隨著量子計算機的運算能力越強，需要的制冷設備就越多，要求也就越高。

技術限制：量子計算機對硬件技術的依賴度極高，主要是實現不了編碼邏輯比特，其次還有系統擴展、邏輯門精度、相幹消等幾個方面，其次，除了要有基礎的硬件，對比經典計算機，量子計算也需要有軟件、算法以及雲平台等技術的支持。要實現其量子糾纏等技術特性，需要一系列高端材料和設備的支持。其中，超導電子學和納米加工技術是量子計算機實現所必須的，其發展趨勢與成熟程度都會對其應用産生嚴重影響。

應用限制：目前量子計算機應用場景非常有限，主要在化學、金融、優化等領域。

但對于傳統的數據中心應用和人工智能應用並不適應。雖然量子計算機對于某些領域問題的解決速度非常迅速，但對于其他問題則會顯得非常低效，這也限制了它的應用場景。

量子計算未來的發展趨勢，主要在三個方面：一是規模化，當前量子計算能比較可靠操控的量子比特數大約在 100 個量子比特左右，今後將逐漸達到幾千、幾萬、幾十萬、幾百萬甚至更高的水平。二是容錯化，量子計算需要很多量子比特，但更需要制備出相幹時間可以任意長、錯誤率小于糾錯阈值的所謂容錯的邏輯量子比特。三是集成化，目的是實現對大量量子比特及其測控系統集成和小型化，是降低量子計算機的研發成本、實現量子計算機廣泛應用的前提。

如果對未來做一個展望的話，樂觀地估計，十到二十年之後，高質量制備和操控的量子比特數將達到上萬個，在這個基礎上，通過對大量量子比特的不斷糾錯，有望制備出一個能容錯的邏輯量子比特；再過十到二十年，有希望實現對多個邏輯量子比特和普適邏輯門的相幹操控，並且在這樣的基礎上，制造出普適的量子計算機。到那時，量子信息技術及應用將進入全面高速發展階段，也將成爲人類征服自然的一個新的裏程碑！

2.3. 量子計算的主要應用場景

量子計算機能夠實現量子傅裏葉變換、量子搜索和量子因式分解等複雜計算，將深刻影響密碼學、材料科學、人工智能等領域：

1）密碼學：由于 Shor's algorithm 可以用來破解某些傳統加密技術，因此需要開發新的加密技術保護數據的安全性。基于量子密鑰分發（QKD）技術的加密技術已經被提出並得到了廣泛研究。

2）材料科學：傳統計算機可以使用分子動力學（MD）模擬分子和材料結構，但分子和材料結構非常複雜，需要大量的計算資源。在量子計算機中，可以使用量子模擬器來模擬分子和材料結構。這將有助于加快新材料和新藥物的研發過程。

3）人工智能：由于量子比特可以處于多個狀態，因此可以使用量子神經網絡來處理大規模數據集和複雜模型。這將有助于提高人工智能系統的性能，並推動人工智能技術向前發展。

應用探索成業界熱點，行業領域趨向多元化。基于中等規模含噪量子處理器（NISQ）和專用量子計算機的應用案例探索在國內外廣泛開展，代表性應用領域和典型場景涵蓋了化學、金融、人工智能、交運航空、氣象等衆多行業領域，産業規模估值達到千億美元級別。

2.4. 量子計算主要技術路線

當前量子計算各技術路線的性能指標發展水平參差不齊，但距離實現大規模可容錯通用量子計算的目標都還有很大差距：1）超導路線：在量子比特數量、邏輯門保真度等指標方面表現較爲均衡；2）離子阱路線：在邏輯門保真度和相幹時間方面優勢明顯，但比特數量和門操作速度方面瓶頸也同樣突出；3）光量子和硅半導體路線目前在比特數量、邏輯門保真度和相幹時間等指標方面均未展現出明顯優勢；4）中性原子近年來在比特數量規模、門保真度和相幹時間等指標方面提升迅速。

量子計算硬件有多種技術路線並行發展，主要可分爲兩大類：1）以超導和硅半導體等爲代表的人造粒子路線，2）以離子阱、光量子和中性原子爲代表的天然粒子路線。

人造粒子路線：可重用半導體集成電路制造工藝，在比特數量擴展方面具有一定優勢，但在提升邏輯門精度等指標方面受到基礎材料和加工工藝等限制。

天然粒子路線：具有長相幹時間和高邏輯門精度等優勢，但在比特數量擴展等方面面臨挑戰。近年來，各種主要技術路線均有研究成果不斷湧現，呈現開放競爭態勢，尚無某種技術路線體現出明顯綜合優勢。

超導技術路線是量子計算領域業界關注度最高的發展方向。離子阱路線能否在量子計算技術路線競爭中占據優勢仍有待進一步觀察。光量子路線中專用光量子計算近年來研發成果較多。硅半導體路線的比特數量和操控精度等指標提升緩慢。中性原子路線有望成爲技術路線競爭中的後起之秀。超導技術路線的比特數量操控精度和相幹時間等關鍵指標提升迅速且發展較爲均衡，是有望率先實現量子糾錯和突破殺手級應用的“種子選手”。

2.5. 量子計算市場空間

2.5. 量子計算市場空間2035 年總市場規模有望達到 8117 億美元。2023 年，全球量子産業規模達到 47 億美元，2023 至 2028 年的年平均增長率（CAGR）達到 44.8%，基本符合行業發展規律。

2027 年，專用量子計算機預計將實現性能突破，帶動整體市場規模達到 105.4 億美元。

在 2028 年至 2035 年，市場規模將繼續迅速擴大，受益于通用量子計算機的技術進步和專用量子計算機在特定領域的廣泛應用，到 2035 年總市場規模有望達到 8117 億美元。

這一接近萬億級別的市場規模標志著量子計算會在此進入全面成熟和商業化的關鍵階段，預示著未來量子計算將在各個領域帶來深遠而持久的影響。

上遊市場在量子計算領域的發展至關重要，主要分爲量子比特環境、量子比特測量與控制系統、量子芯片以及其他。技術進步、應用領域的擴大、政策支持、投資增加以及商業化的挑戰和機遇等因素，共同推動了量子計算市場的快速發展。從 2023 年到 2035年，上遊市場規模呈現出顯著的增長趨勢，市場總規模由 2023 年不到 20 億美元增長到2035 年千億美元。

量子比特測量與控制系統市場規模增長最爲迅猛，從 2023 年的幾億美元到 2030 年的 316 億美元，最後增長到 2035 年的 1444 億美元。測量和控制系統對于保持量子比特的相幹性和實現量子計算任務至關重要，而技術的發展推動了對更爲精密、高效的測量和控制系統的持續需求增加。

量子芯片市場規模到 2030 年以及 2035 年均有指數級別的增長。量子芯片作爲量子計算的核心組件，對實現量子計算任務具有至關重要的作用。隨著對量子計算性能要求的提高，對更先進、可擴展的量子芯片的需求持續上升。

2.6. 量子計算産業鏈

産業生態上遊主要包含環境支撐系統、測控系統、各類關鍵設備組件以及元器件等，是研制量子計算原型機的必要保障。目前由于技術路線未收斂、硬件研制個性化需求多等原因，上遊供應鏈存在碎片化問題，逐一突破攻關存在難度，一定程度上限制了上遊企業的發展。國內外情況對比而言，上遊企業以歐美居多，部分頭部企業占據較大市場份額，我國部分關鍵設備和元器件對外依賴程度較高。

産業生態中遊主要涉及量子計算原型機和軟件，其中原型機是産業生態的核心部分，目前超導、離子阱、光量子、硅半導體和中性原子等技術路線發展較快，其中超導路線備受青睐，離子、光量子和中性原子路線獲得較多初創企業關注。美國原型機研制與軟件研發占據一定優勢，我國量子計算硬件企業數量有限且技術路線布局較爲單一，集中在超導和離子阱路線，量子計算軟件企業存在數量規模較少、創新成果有限、應用探索推動力等問題。

産業生態下遊主要涵蓋量子計算雲平台以及行業應用，處在早期發展階段。近年來全球已有數十家公司和研究機構推出了不同類型的量子計算雲平台積極爭奪産業生態地位。目前量子計算領域應用探索已在金融、化工、人工智能、醫藥、汽車、能源等領域廣泛開展。國外量子計算雲平台的優勢體現在後端硬件性能、軟硬件協同程度、商業服務模式等方面。大量歐美行業頭部企業成立量子計算研究團隊，與量子企業聯合開展應用研究，我國下遊行業用戶對量子計算重視程度有限，開展應用探索動力仍需提升。

2.7. 量子計算全球進展

谷歌采用超導路線，最新 Sycamore 量子處理器目前擁有 70 個量子比特。谷歌的量子優勢實驗基于他們的超導量子芯片 Sycamore，利用交叉熵基准，谷歌量子計算研究人員觀察到了階段邊界，由此定義噪聲量子演化的計算複雜性。在模擬的估計計算成本，比起經典計算機，53 量子比特完成 1 百萬個噪音樣本比其快 6.18 秒。而 70 量子比特要快 47.2 年。

微軟預計 10 年內完成量子超級計算機的構建。公司將未來量子計算分爲基礎、彈性和規模三個級別。基礎階段，在噪聲物理量子比特上運行的量子系統，微軟已經將量子機器帶到了 Azure Quantum 的雲端，包括 IonQ, Pasqal, Quantinuum, QCI 和Rigetti。彈性階段，從嘈雜的物理量子比特過渡到可靠的邏輯量子比特，增加每個邏輯量子比特的物理量子比特數，使物理量子比特更穩定，或者兩者兼而有之；規模階段，設計出一台規模化的、可編程的量子超級計算機，這樣的量子超級計算機至少需要 100萬個每秒可靠的量子操作數（rQOPS）。

IBM 推出新型模塊化系統，瞄准 2033 年超級計算機。2023 年 12 月，IBM 公司推出了 133 量子位的量子處理器 IBM Quantum Heron，可提供迄今爲止 IBM 最高的性能指標和最低的錯誤率，同時展示了一種新方法，將機器內部的處理器連接在一起，然後將機器連接在一起，以形成模塊化系統，當與新的糾錯代碼相結合時，有望在 2033 年生産出引人注目的量子機器：包括 1000 個邏輯量子比特的超級計算機，全面釋放量子計算的能量。

實現 Condor 處理器，擁有 1121 個超導量子位。Condor 突破了芯片設計的規模和産量極限，量子比特密度提高了 50%，在量子比特制造和層壓板尺寸方面取得了進步，並在單個稀釋制冷器中包含超過一英裏的高密度低溫柔性 IO 接線。性能可與 433 量子比特的 Osprey 相媲美。多年來，IBM 一直遵循量子計算路線圖，每年將量子比特數量增加約一倍。

中科院團隊成功構建 255 個光子的量子計算原型機“九章三號”，科研人員設計了時空解複用的光子探測新方法，構建了高保真度的准光子數可分辨探測器，提升了光子操縱水平和量子計算複雜度。根據公開正式發表的經典精確采樣算法，“九章三號”處理高斯玻色取樣的速度比上一代“九章二號”提升一百萬倍。其在百萬分之一秒時間內所處理的最高複雜度的樣本，需要當前最強的超級計算機“Frontier”花費超過二百億年的時間。

“祖沖之二號”量子計算機可操縱的量子比特數達到 176 比特。祖沖之二號采用大規模並行處理的硬件結構和智能的調度和管理系統，可以實現處理器核心之間的快速通信和數據傳輸，有效地避免資源浪費和處理能力不均衡的問題。其單比特門、兩比特門和讀取保真度分別爲 99.84%、99.40%和 97.74%，相比之下，谷歌“懸鈴木”在其“量子計算優越性”實驗中的三項保真度分別爲 99.84%、99.38%和 96.20%。

3. 量子通信

3.1. 量子通信的定義與分類

量子通信是利用物理實體粒子（如光子、原子、分子、離子）的某個物理量的量子態作爲信息編碼的載體，通過量子信道將該量子態進行傳輸到達傳遞信息目的，是量子信息科學的重要研究分支。其核心在于以量子態來編碼信息並傳輸，其通信過程服從量子不確定性原理、量子相幹疊加和量子非定域性等量子力學的基本物理原理。

量子通信主要包括量子密鑰分發、量子隱形傳態和量子保密通信網絡三種技術。

量子密鑰分發（QKD）應用了量子力學的基本特性，確保任何企圖竊取傳送中的密鑰都會被合法用戶所發現。竊聽者如果要竊聽量子密碼，必須進行相應的測量，而根據不確定性原理和量子不可克隆性，一旦測量必定會對量子系統造成影響，從而改變量子系統的狀態。

利用量子糾纏態的量子通訊就是“量子隱形傳態”(quantumteleportation)。“量子密鑰分發”只是利用量子的不可克隆性，對信息進行加密，屬于解決密鑰問題。而“量子隱形傳態”是利用量子的糾纏態，來傳輸量子比特。

量子隱形傳態的原理。量子隱形傳態方式的載體是單個粒子，如單個光子或單個電子，利用其內在的微觀的行爲特征，如粒子的自施方向，利用量子糾纏效應讓量子通信傳輸的不再是傳統信息，而是量子態攜帶的量子信息。舉例來說，兩個處于糾纏態的粒子 A 和 B，無論相隔多遠，只要把其中一個粒子（A）和攜帶想要傳輸的量子比特的粒子（C）一起測量，C 的量子比特馬上消失，但是相隔遙遠的粒子（B）卻立刻攜帶上了C 之前攜帶的量子比特。這就是在量子糾纏的幫助下，待傳輸的量子態不需要任何載體的攜帶，在一個地方神秘地消失，又在另一個地方神秘地出現。

量子保密通信網絡核心設備包括 QKD 産品、信道與密鑰組網交換産品等。目前能夠實現的量子保密通信網絡，包括局域網、城域網和骨幹網。

局域網實現一個單位或一處地點內多個終端的接入，對距離要求不高；城域網負責城市範圍內不同區域的連接，上聯骨幹網，下聯局域網；而骨幹網實現跨省、跨城的連接（包括地面光纖和衛星-地面站兩種實現方式），現階段以地面光纖爲主，對距離要求高。

量子城域網是一種可覆蓋整個城市的量子密鑰分發網絡。在與傳統通信網絡相結合後，能實現基于量子安全技術的高等級安全通信服務，爲涉及國計民生的政務、金融、電力等重要信息提供保障。2022 年 8 月，安徽合肥開通了當時全國最大、覆蓋最廣、應用最多的量子城域網——合肥量子城域網，包含 8 個核心網站點和 159 個接入網站點，光纖全長 1147 公裏。

在量子廣域網方面，2021 年 1 月，中國科學技術大學宣布中國科研團隊成功實現了跨越 4600 公裏的星地量子密鑰分發，此舉標志著我國已成功構建出天地一體化廣域量子通信網絡，爲未來實現覆蓋全球的量子保密通信網絡奠定了科學與技術基礎。

抗量子密碼（PQC），也稱後量子密碼，是能夠抵抗量子計算對公鑰密碼算法攻擊的新一代密碼算法，旨在研究密碼算法在量子環境下的安全性，並設計在經典和量子環境下均具有安全性的密碼系統。其基于數學原理，以軟件和算法爲主，依賴計算複雜度，易于實現標准化、集成化、芯片化、小型化和低成本，能夠提供完整的加密、身份認證和數字簽名等解決方案。PQC 的出現，可有效地防止攻擊者竊取和破解加密信息，爲網絡信息安全提供保障。

Shor 算法的出現，意味著 RSA 加密在理論上已經不再安全。1994 年，美國科學家 Peter Shor 提出了著名的 Shor 算法，在理論上展示了一個足夠強大的量子計算機能將質因數分解的時間複雜性降到多項式時間內。隨著量子計算軟硬件技術飛速發展，現代密碼體系的崩潰也不再是理論上的風險。以 RSA-2048 算法爲例，Shor 算法破解效率大約是經典算法的 10(43) 倍。2021 年，業內分別預估了 Shor 算法破解 RSA2048、ECDSA 的成本，大約需要 2000 萬量子比特，耗時幾小時內。

3.2. 量子通信的發展現狀

量子通信領域的量子密鑰分發(OKD)技術初步實用化，多種協議類型的 OKD 系統在國內外已經實現商用，但商用 OKD 系統的性能仍有明顯瓶頸，例如，單跨段現網光纖傳輸距離通常在數十 km 範圍，密鑰成碼率通常爲數 kbps 至數十 kbps 量級。進一步提升 OKD 系統的傳輸距離和密鑰成碼率，對于遠距離傳輸、組網和高帶寬加密業務應用等具有重要意義，也是提升 OKD 技術實用化水平，破解應用推廣與産業發展困境的必由之路。

量子信息網絡目前主要處于基礎研究與實驗探索階段，關鍵技術與使能組件仍有技術瓶頸尚未突破，實用化前景尚不明確，但其實現量子計算機互聯組網，指數級提升量子信息處理能力的應用潛力較大。已成爲歐美國家布局的重點發展方向之一。近年來，歐美研究機構和行業組織等，通過合作項目、組網實驗和平台建設等多種方式，加快推動技術試驗與測試驗證。

陸地部分：QKD 基礎設施網絡建設。

美國：紐約大學量子信息物理學中心（CQIP）和量子安全網絡技術公司 Qunnect 合作，使用 Qunnect 的量子安全網絡技術，通過紐約市的標准電信光纖發送量子信息，成功測試了布魯克林海軍造船廠和紐約大學曼哈頓校區之間 10 英裏（16 公裏）量子網絡鏈路。在 10 英裏的光纖中，Qunnect 和 CQIP 實現了以每秒 15000 對的速度傳輸高度糾纏的量子比特通過光纜，測試過程中鏈路正常運行時間達到 99%。此次實驗打開了紐約都市區的金融服務、關鍵基礎設施和電信公司試點量子網絡技術的大門。

中國：由國科量子建設和運營的長三角區域量子保密通信骨幹網建設成果于 2023年 6 月在第五屆長三角一體化發展高層論壇上正式發布。長三角量子網絡線路總裏程約2860 公裏，形成了以合肥、上海爲核心節點，鏈接南京、杭州、無錫、金華、蕪湖等城市的環網，通過量子業務運營支撐系統及量子衛星調度系統，爲星地一體量子保密通信網絡提供全方位保障。

太空部分：衛星通信建設。

美國：QuSecure 推出首個具有量子彈性的實時端到端衛星加密通信鏈路，這一裏程碑標志著美國衛星數據傳輸首次采用 PQC 來抵禦經典和量子解密攻擊，以保護衛星數據通信的安全性。QuSecure 的量子彈性加密通信鏈路可以使任何聯邦政府和商業組織都能夠通過太空進行實時、安全、經典和量子安全的通信和數據傳輸。在星鏈網絡上的安全衛星通信測試中，QuSecure 成功地將量子彈性數據從 Quark 服務器通過科羅拉多州Rearden Logic 的實驗室發送到星鏈終端。然後通過上行鏈路將信號發送到 Starlink 衛星，再通過下行鏈路傳回地球。所有這些通信均受到 QuSecure 的量子安全層（Quantum Secure Layer, QSL）的保護，通過 PQC 網絡安全保護傳輸中的所有數據。

美國納米衛星服務提供商 Sky and Space（SAS）宣布與 CyberProtonics 建立合作夥伴關系。CyberProtonics 將爲 SAS 公司的納米衛星和地面終端機群嵌入 PQC 技術，爲2024 年初的發射做准備。這一合作將確保衛星通信的安全性，爲未來的衛星網絡提供了更強的數據保護。

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