李沖霄

摘要：針對現(xiàn)有軍事通信手段在安全性、隱蔽性、抗干擾性和時效性等方面存在的問題，在研究量子通信特點和分析量子通信發(fā)展現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，就量子通信在軍事通信領(lǐng)域安全通信、隱蔽通信、超遠(yuǎn)距離通信和水下潛艇通信等方面的應(yīng)用前景進(jìn)行了分析研究。

關(guān)鍵詞：量子通信；軍事通信；保密通信

中圖分類號：TN73文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號：1008-1739（2023）01-50-4

0引言

面對全球軍事信息化建設(shè)熱潮，我軍正在經(jīng)歷由機械化向信息化的轉(zhuǎn)型發(fā)展。在軍事通信領(lǐng)域，特別是在軍事通信的安全性、隱蔽性、抗干擾性和時效性等方面，與美軍相比還存在一定的差距。通信信號被干擾、通信網(wǎng)絡(luò)被攻擊、通信內(nèi)容被竊取、通信時效性差和通信隱蔽性不強等問題，嚴(yán)重制約著我軍軍事通信的發(fā)展。量子通信是一種面向未來的全新的安全通信技術(shù)，自誕生之日起就被證明是絕對安全的，因此將量子通信技術(shù)應(yīng)用到軍事通信領(lǐng)域，可以為軍隊提供一種安全保密的通信手段[1]。

1量子通信的概念和特點

量子通信是基于量子力學(xué)的基本原理，進(jìn)行量子糾錯編碼、存儲和信息傳輸?shù)囊环N新型通信方式。由于量子具有疊加態(tài)、糾纏態(tài)和不可克隆等特性，使量子通信在時效性、隱蔽性、非局域性、安全性和抗干擾等方面具有獨特的優(yōu)勢[2]。

1.1高效性

在通信前制備2個相互糾纏的量子，然后根據(jù)需要將其分開。無論距離有多遠(yuǎn)，相互糾纏的2個量子，只要其中一個發(fā)生變化，另一個也會同時做出相應(yīng)改變，而不受空間距離約束。愛因斯坦將這一神奇的現(xiàn)象稱為一種鬼魅的遠(yuǎn)距作用。基于量子糾纏原理進(jìn)行通信時，不會產(chǎn)生時延。另外，量子的疊加態(tài)，使得一個量子比特既可以表示0，同時也可以表示1。5個量子比特就可以同時表示32個數(shù)字0～31，10個量子比特就可以同時表示1 024個數(shù)字0～1 023。一次量子通信所傳輸?shù)男畔⒕拖喈?dāng)于多次經(jīng)典通信傳輸?shù)男畔⒅?。所以，量子通信具有低時延、高效率的特性[3-5]。

1.2隱蔽性

量子通信不向外輻射電磁波。對于竊聽者而言，量子通信是在神不知鬼不覺、完全電磁靜默的情況下進(jìn)行，所以竊聽者無法通過電磁波對通信雙方進(jìn)行物理定位。即便竊聽者通過某種方式截獲到了量子信息，由于量子比特的疊加態(tài)特性，竊聽者也無法獲取準(zhǔn)確的通信內(nèi)容[6]。因而量子通信具有極強的隱蔽性。

1.3非局域性

相互糾纏的量子對（例如量子A與量子B）之間進(jìn)行量子態(tài)的傳遞，與物理傳播介質(zhì)無關(guān)，與相互間的距離無關(guān)。在通信發(fā)送方對相互糾纏的量子對中的量子A施加測量等操作時，身處千里之外甚至更遠(yuǎn)的量子B的量子態(tài)也會發(fā)生相應(yīng)變化。量子A與量子B之間的這種糾纏作用，具有距離無關(guān)的特性。

1.4安全性

基于量子糾纏效應(yīng)進(jìn)行信息傳輸?shù)牧孔油ㄐ牛侨祟惸壳耙阎目梢员粩?shù)學(xué)證明的絕對安全的通信手段。首先，原理上安全，量子通信具備一次一密的特性，從原理上保證了通信的安全性[7]；其次，信道上安全，量子通信不向外輻射電磁波，因而竊聽者無法截獲量子通信信號；再次，事后檢查安全，在經(jīng)典的基于單光子的量子通信中，通信雙方通過量子疊加態(tài)和糾纏態(tài)特性，傳輸信息的加解密密鑰[8]。如果第三方通過測量方式進(jìn)行竊聽，將導(dǎo)致量子狀態(tài)被改變，很容易被通信雙方所發(fā)現(xiàn)。

1.5抗干擾

相比傳統(tǒng)的通信方式，量子通信具有很強的抗干擾性。首先，量子通信不向外輻射電磁波，因此干擾方無法對其進(jìn)行無線電定位，無法確定通信雙方物理位置，不便于開展電子干擾[9]；其次，量子隱形傳態(tài)技術(shù)不依賴于任何物理傳播介質(zhì)，不受通信雙方之間地形遮擋等因素的影響。

2量子通信的類型和發(fā)展現(xiàn)狀

目前，常用的量子通信類型主要有2類：一種是量子密鑰分發(fā)，另一種是量子隱形傳態(tài)。量子密鑰分發(fā)主要用于通信密鑰的協(xié)商和分發(fā)，其采用一次一密的方式，保障經(jīng)典通信的點對點之間安全通信。量子密鑰分發(fā)在數(shù)學(xué)上被證明是絕對安全的，其通信模型如圖1所示。量子隱形傳態(tài)基于量子糾纏和聯(lián)合測量，通信雙方的量子狀態(tài)不受相互之間距離的限制，能同時做出改變，實現(xiàn)量子態(tài)的瞬間轉(zhuǎn)移，其通信模型如圖2所示。

量子通信理論自提出之日起，就開啟了飛速發(fā)展之旅。目前，典型的量子通信協(xié)議有BB84，B92，E91及其改進(jìn)型協(xié)議等。人類歷史上第一次量子密鑰分發(fā)發(fā)生在1989年的美國，第一次量子隱形傳態(tài)發(fā)生在1997年的奧地利。我國在量子通信領(lǐng)域起步較晚，但是發(fā)展迅速。比較有代表性的項目是“墨子號”和“京滬干線”?！澳犹枴绷孔涌茖W(xué)實驗衛(wèi)星于2011年12月立項，2016年8月在酒泉衛(wèi)星中心發(fā)射升空，標(biāo)志著我國在世界范圍內(nèi)首次實現(xiàn)衛(wèi)星和地面間的量子通信，旨在建立衛(wèi)星與地面遠(yuǎn)距離量子科學(xué)實驗平臺，在其上完成空間大尺度量子科學(xué)實驗。2017年8月，世界范圍內(nèi)首次實現(xiàn)千千米級的量子雙向通信?！熬删€”是一條連接北京、濟南、合肥和上海，全長2 000多千米的世界最長量子通信保密干線，通過北京節(jié)點實現(xiàn)了與墨子號衛(wèi)星的連接。項目于2013年7月立項，2017年9月正式開通。全線路密鑰率大于 20 kbps，能滿足上萬名用戶對密鑰分發(fā)業(yè)務(wù)的需求。標(biāo)志著我國在城域光纖量子通信方面取得國際領(lǐng)先地位。2018年1月，我國同奧地利合作，構(gòu)建了全球首個天地一體化廣域量子通信網(wǎng)絡(luò)雛形，實現(xiàn)了北京、濟南、合肥、上海、烏魯木齊和奧地利科學(xué)院等6地之間7 600 km的洲際量子密鑰分發(fā)和加密視頻會議。2020年5月，利用墨子號衛(wèi)星，實現(xiàn)了安全時間傳遞實驗驗證。2020年6月，利用墨子號衛(wèi)星，首次實現(xiàn)基于量子糾纏的千千米級量子密鑰分發(fā)。2022年5月，利用墨子號衛(wèi)星，首次實現(xiàn)了相距1 200 km的2個地面站之間的量子隱形傳態(tài)[10-13]。

3軍事量子通信的應(yīng)用前景

量子通信理論一經(jīng)提出，就被世界各國認(rèn)定在軍事通信領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。信息通信技術(shù)是信息化戰(zhàn)爭制勝的主導(dǎo)技術(shù)，任何信息處理都離不開通信。量子通信作為一種面向未來的新型通信技術(shù)，有著經(jīng)典通信無法比擬的優(yōu)勢，必將極大地推動軍事通信技術(shù)向前發(fā)展。

3.1軍事密鑰分發(fā)

1984年，本納特提出人類歷史上第一個量子密鑰分發(fā)協(xié)議———BB84協(xié)議，標(biāo)志著量子密鑰分發(fā)技術(shù)的起源[14]。量子密鑰分發(fā)技術(shù)是利用量子的疊加態(tài)和量子的不確定性，來保障傳輸密鑰的安全性的。即使通信內(nèi)容被截獲，由于量子的不確定性，也無法被破解，因此能夠有效保證通信內(nèi)容的安全性。軍事密鑰分發(fā)是軍事通信網(wǎng)絡(luò)開通的第一步。將量子通信密鑰分發(fā)技術(shù)應(yīng)用到軍事通信密鑰的分發(fā)當(dāng)中，可以有效解決軍事通信中的密鑰安全性問題。

3.2軍事安全通信

軍事通信對安全性有著極高的要求，量子通信將徹底改變傳統(tǒng)的軍事通信方式。量子作為最小的、不可分割的能量單位，使得量子通信具有測不準(zhǔn)、不可克隆和一次一密的特點[15]。量子的不可克隆特點，可以有效監(jiān)測軍事通信過程是否被竊聽；采用量子密鑰生成技術(shù)，能夠采用完全隨機加密的方式，保證軍事通信具有一次一密的特點，進(jìn)而使得軍事通信內(nèi)容無法破解，可以從根本上保證軍事通信的安全性。

3.3軍事隱蔽通信

傳統(tǒng)的軍事通信手段，特別是無線通信手段主要基于向外輻射電磁波的形式進(jìn)行通信。而電磁波的空間開放性，導(dǎo)致軍事通信信息被暴露在地方面前，很容易被竊聽。相比而言，量子糾纏不依賴于任何物理傳播介質(zhì)，不向外輻射電磁波。因此，敵方無法截獲軍事量子通信內(nèi)容。所以，量子通信可以為軍事通信提供較強的隱蔽性。

3.4超遠(yuǎn)距離通信

目前，軍事通信領(lǐng)域常用的超視距通信手段主要有衛(wèi)星、短波、光纜和散射等。這些手段都存在一定的缺陷，衛(wèi)星通信時延大，短波通信可靠性差，光纜通信依賴預(yù)先布設(shè)的固定基礎(chǔ)設(shè)施不適合臨機地域使用，散射通信手段通信距離相對較近。而基于量子糾纏的量子通信具有非局域性特點[16]，可以為軍事通信雙方提供一種低時延、高可靠的超遠(yuǎn)距離通信手段。

3.5水下潛艇通信

潛艇主要以隱蔽設(shè)伏方式使用。當(dāng)潛艇位于水下時，只能被動接收信息，而無法主動發(fā)送任何信息。潛艇發(fā)送信息時，通常上浮，采用水面浮標(biāo)的方式與岸基節(jié)點進(jìn)行通信，很容易暴露自身目標(biāo)。研究發(fā)現(xiàn)，同等條件下，量子通信所需的信噪比比其他手段低30～40 dB，可以有效克服中長波通信系統(tǒng)在海洋通信中存在的系統(tǒng)龐大、抗毀性差的問題[17]，為潛艇水下通信提供了新的可能。潛艇可以在水下通過量子通信技術(shù)，與岸基指揮所等節(jié)點進(jìn)行通信，能夠有效提高潛艇的隱蔽性。這對于潛艇水下通信意義重大，特別是對隱藏于大洋深處、擔(dān)負(fù)二次核反擊任務(wù)的戰(zhàn)略核潛艇來說尤為重要。

3.6軍事量子通信網(wǎng)絡(luò)

軍事通信網(wǎng)絡(luò)對安全保密要求較高，傳統(tǒng)基于保密機進(jìn)行加密通信的方式容易被破解。隨著量子通信技術(shù)不斷地邁向?qū)嵱没诹孔油ㄐ偶夹g(shù)構(gòu)建“天基衛(wèi)星+地基光纜”架構(gòu)的天空地一體化的軍事量子通信網(wǎng)絡(luò)，則可以為作戰(zhàn)區(qū)域內(nèi)各級指揮所、作戰(zhàn)分隊、武器平臺和單兵提供一種理論上可以絕對安全保密的通信方式，保障指揮控制、偵察情報、火力打擊和綜合保障等各類軍事信息的安全傳輸。

4結(jié)束語

量子通信技術(shù)相比傳統(tǒng)通信技術(shù)，在軍事通信的安全性、隱蔽性等方面具有明顯的優(yōu)勢，為軍事通信提供一種安全、隱蔽、超視距的通信手段。但是，將量子通信應(yīng)用到軍事通信領(lǐng)域的相關(guān)工程應(yīng)用技術(shù)研究較少，體系成熟度不高。如果要實現(xiàn)工程落地，還應(yīng)加強相關(guān)工程技術(shù)研究攻關(guān)，探索工程化應(yīng)用模式，解決量子通信設(shè)備與現(xiàn)有通信設(shè)備之間的集成融合，構(gòu)建安全保密的軍事量子通信網(wǎng)絡(luò)。

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