量子通信技术在航天系统中的应用研究

杨 勇，石玲玲，贾学先，严晞隽，吴 强

（北京宇航系统工程研究所，北京，100076）

量子通信技术在航天系统中的应用研究

杨 勇，石玲玲，贾学先，严晞隽，吴 强

（北京宇航系统工程研究所，北京，100076）

较传统保密技术而言，量子通信技术在信息安全方面具有更大的优势，在军事通信领域具有广阔的应用前景。在简要介绍量子通信原理、研究进展的基础上，对量子通信技术在航天系统中的应用进行了初步设想，为推动量子通信技术在航天领域的应用提供参考。

量子通信；信息安全；航天系统；密钥分发

0 引 言

未来战争是信息化战争，围绕信息及信息系统的争夺和攻击已成为信息化战场中获取战场主动权，达成敌方“战略性瘫痪”的关键。由于自身的敏感性和脆弱性，信息化条件下的军事信息系统所面临的信息安全保密形势更加严峻，威胁种类更加多样，迫切需要推进安全保密技术在航天军事领域的深化应用和快速发展。

传统信息对抗中的信息安全保密手段较多采用加、解密技术，随着计算机密码破译能力的不断提升，传统加密通信在军事网络应用中面临被监听、破译、伪造、篡改等威胁。量子通信是一种新型的、革命性的安全保密技术，从原理上保证了信息传输的绝对安全。因此，较传统保密技术而言，量子通信技术在信息安全方面更有优势，在军事、民用安全等领域具有广阔的应用前景。

1 量子通信原理

量子通信技术充分利用了量子力学的特点，以不可克隆原理、海森堡测不准原理等为基础，在原理上保证了非授权方无法复制和窃听量子信道中传输的信息，进而确保信息传输的安全[1]。

量子通信技术包含量子密钥分发技术和量子隐形传态技术。

1.1 量子密钥分发技术

量子密钥分发技术利用经典信道和量子信道相结合的形式进行经典信息的安全传输。其中，经典信道在密钥协商时用于传输校验信息（主要包括基矢比对信息），在密钥协商后则用于加密信息的传输；量子信道则用于传输处于量子态的微观粒子（如单光子），完成量子密钥的安全协商生成与安全分发。

假设量子信道中信息载体为单光子，量子密钥分发技术的安全性原理如下：a）单个光子在物理上不可再分，窃听者无法通过窃取少于1个光子并测量其状态的方法获得密钥信息；b）假设窃听者可以在截取单光子后测量其状态，然后根据测量结果发送一个新光子给接收方，但根据海森堡测不准原理，该过程将引起光子状态的扰动，发送方和接收方通过基矢比对信息可检测到窃听者对光子的测量，从而确保通信双方密钥协商生成的安全性；c）假设窃听者试图在截取单光子后，通过复制单光子量子态以窃取信息，但不可克隆原理保证了未知的量子态不能被精确复制；d）量子密钥分发协议（如BB84协议）保证了密钥分发的安全性，不需要第三方进行密钥的传送。

基于量子密钥分发技术的安全保密通信模式如 图1所示。

图1 基于量子密钥分发技术的安全保密通信示意

由于基于量子密钥分发技术的保密通信方式在实际工程中易于实现，并且可以保证信息传输的绝对安全性，因此，基于量子密钥分发技术的量子通信技术已逐步走向实用化，相关产品在金融、政府等领域得到了较为广泛的应用。

1.2 量子隐形传态技术

量子隐形传态技术同样需要经典信道与量子信道相结合才能完成信息的安全传输，但与量子密钥分发技术不同，量子隐形传态技术是利用量子纠缠对（简称EPR对）的非定域特性完成量子态的传输，从而完成信息的安全传输。图2为量子隐形传态示意。在图2中，发送端粒子A处于未知量子态，需传送到接收端；粒子B1和粒子B2为EPR对，它们之间任一方粒子量子态的变化会导致另一方粒子量子态的变化，并且这种关联与空间距离无关。因此，在发送端对粒子A和粒子B1的进行Bell基联合测量时，接收端粒子B2将会坍塌到相应的量子态，同时接收端通过经典信道接收发送端的Bell基测量结果，结合粒子B2的量子态，通过幺正变换获得发送端的正确信息。由此可见，在量子隐形传态技术中，只有共享EPR对的双方才能正确通信，并且以量子态为信息传输载体，微观粒子并不直接传输到接收端。同时，经典信道只用于传输Bell基测量信息，双方之间的有效通信信息经量子信道传输，实现了量子信息的直接传输。

图2 量子隐形传态示意（B1，B2）

1.3 小 结

通过上述分析可知，从信息传输机制上来说，量子密钥分发技术与量子隐形传态技术的主要区别在于：量子密钥分发技术的信息载体为微观粒子本身，而量子隐形传态技术的信息载体则为量子态。表1为量子密钥分发技术与量子隐形传态的技术特点分析。

表1 量子密钥分发技术与量子隐形传态技术特点分析

总体来说，量子密钥分发和量子隐形传态技术均可保证信息传输的绝对安全，在军事通信领域具有广阔的应用前景，并且量子密钥分发技术正逐步走向实用化，未来将得到大规模应用。而量子隐形传态技术尚处于预研阶段，很多关键技术仍有待进一步突破，距离实用化还有较长一段距离。

2 研究进展

Bennett等在1984年提出了BB84协议，并通过实验验证了该方法的可行性，开始进行量子保密通信技术研究。1993年，Bennett等提出了基于量子隐形传态技术的量子保密通信技术方案。经过30多年的发展，量子通信技术在理论、实验及工程应用方面不断取得突破，是当前国际上量子物理和信息科学的研究热点。

目前，量子通信技术在通信协议方面以BB84协议、E91协议及B92协议为主，在此基础上，研究人员提出了差分相移协议、六态协议等量子密钥分发协议[2]。除通信协议的研究与发展外，量子通信技术在实验和实用化方面也得到快速发展。

1997年，奥地利科学家首次在实验室实现量子隐形传态，证实了基于隐形传态的安全保密通信技术的可行性[3]；2001年，瑞士一家公司推出基于量子密钥分发技术的商用保密通信系统[4]；2002年，德国和英国科学家以自由空间为传输介质，实现了长达23 km的量子密钥分发记录，证实了通过近地卫星进行量子密钥分发的可行性[5]。

2004年，美国一家商用公司在马萨诸塞州建立了全球首个基于量子密钥分发技术的保密通信网络，该网络拥有6个节点，点对点传输距离约为10 km，以光纤为传输介质，能够与现有Internet技术兼容，具备良好的实用性与可扩展性[6]。

2005年，中国科学技术大学潘建伟等以自由空间为传输介质，实现了量子纠缠分发与量子密钥生成，通信距离长达13 km，证实了纠缠光在通过大气层后仍能保持良好的纠缠特性[7]。

2006年，美国、中国及欧洲的研究小组各自独立实现了黄元英等提出的基于诱骗态的量子密钥分发方案，实验通信距离超过100 km[8]。

2009年，中国科学技术大学和清华大学联合实现了自由空间的量子态隐形传输，通信距离达16 km[9]。

2010年，日本在东京建成名为Tokyo QKD Network的城域量子保密通信网络，该网络共有6个节点，基于量子密钥分发技术[10]。

2012年，中国科学技术大学搭建了基于量子密钥分发技术的城域量子保密通信网络，该网络共46个节点；以及面向金融行业的量子保密通信网络[11]。

此外，据公开报道，中国在2016年8月16日发射了第1颗量子科学实验卫星。量子科学实验卫星采用量子密钥分发技术，与地面站共同完成量子密钥协商生成及密钥安全分发。该卫星的研制，标志着中国已经掌握了星地远距离量子安全保密通信的相关核心技术，为中国的量子保密通信网络建设提供了技术基础。

目前，欧洲、美国、日本及中国等国家和地区已开展量子通信技术理论及其工程实践化的研究，并得到政府的大力支持，希望以此推动量子通信技术的实用化进程，掌握核心技术以保障其在未来信息对抗中处于有利位置。中国主要以中国科学技术大学为主开展量子通信技术研究，相关研究成果已处世界前列，为量子通信技术在中国大规模应用奠定了扎实的技术基础。

3 应用模型

量子通信技术主要用于确保信息传输的安全性，在此，以点对点通信为例对量子密钥分发技术与量子隐形传态技术的应用模式进行简要介绍。

3.1 基于对称加密机制的量子密钥分发系统

量子密钥分发技术能够确保密钥安全分发，从根本上解决对称加密机制中密钥安全分发的问题；此外，量子密钥分发技术能够检测是否被第三方窃听，可以有效防止信息泄露，可据此设计基于对称加密机制的量子密钥分发系统，确保信息的安全传输。

以点对点通信为例，基于对称加密机制的量子密钥分发系统如图3所示。系统包含量子信道和经典信道，加密密钥利用量子信道进行传递，加密数据则利用经典的信息链路进行传输。量子密钥分发系统包括：量子信号处理模块，用于对量子信号的处理；经典信号处理模块，用于对经典信号的处理。2个模块之间的交互信息分别为“加密请求”和“密钥”。信息交互流程如下：

a）当收发双方需要进行保密通信时，经典信号处理模块发起“加密请求”，在请求允许后，通过量子信道，收发双方量子信号处理模块采用相应的协议（如BB84协议）进行密钥协商生成本次通信的“密钥库”（即对称加密机制中的密码本），并释放经典信道；

b）经典信号处理模块获得密钥后，采用基于对称加密机制的算法完成数据的加密并通过经典信道发送出去，接收端采用相应的“密钥”进行解密即可得到发送端的信息；

c）在信息传输速率与量子密钥生成速率（或密钥库密钥数量充足）匹配的条件下，可实现“一次一密”的安全保密通信。

图3 基于对称加密机制的量子密钥分发系统的通信示意

3.2 基于量子隐形传态技术的点对点通信系统

量子隐形传态技术利用量子纠缠对的非定域关联特性实现量子信息的传输，并且只有拥有量子纠缠对的双方才能进行正确通信，在保证信息传输绝对安全的前提下，提高了通信能力。以EPR对为例，基于量子隐形传态技术的点对点通信系统示意如图4所示。

图4 基于量子隐形传态技术的点对点通信系统示意

基于量子隐形传态技术的系统终端仍包括量子信号处理模块与经典信号处理模块，但与量子密钥分发技术不同，在该系统中，当终端处于发送状态时，量子信号处理模块主要用于完成粒子间的Bell基测量，而量子信息在测量的同时通过量子纠缠信道传输至接收端；当终端处于接收状态时，量子信号处理模块根据接收到的Bell基测量结果进行幺正变换，实现信息的正确接收；经典信号处理模块与经典信道则分别用于处理和传输Bell基测量结果。

根据超密编码理论，量子隐形传态技术可以实现：传输1 qbit就可完成2 bit的经典信息传输[12]。因此，量子隐形传态技术可大幅提高通信速率以及容量，满足信息化体系作战大容量通信的应用需求。

利用隐形传态技术进行信息传递的通信方式，能够检测是否被窃听，且隐蔽性好、信息效率高，将其应用于导弹武器系统、指挥信息系统，构建作战体系中各级指挥系统之间及指挥系统与导弹武器系统之间的量子通信系统，可保证信息的绝对安全传输，提高核安控体系的通信安全与信息保密能力、核安控系统的通信速率与容量、导弹武器系统及指挥信息系统的生存能力。

3.3 量子通信技术在航天系统应用中的关键技术

根据前量子通信技术特点，量子通信技术在航天系统中应用的关键技术主要包括：

a）量子安全保密系统效能评估技术。

量子安全保密系统效能评估技术实现对量子安全保密系统效能的准确评估，并与传统安全保密系统进行对比，为系统论证、设计与优化提供支撑，也是检验量子安全保密系统保障信息安全传输能力的重要手段。

b）量子安全保密网络设计技术。

量子通信技术在实际应用中需要经典信道与量子信道配合共同完成量子密钥生成与安全分发，这将改变现有航天系统网络架构，并在一定程度上增加了网络的复杂性。因此，在实际应用中需根据现有航天系统网络架构，结合量子通信技术的特点，开展通信网络协议、架构等设计，在尽可能减少现有网络复杂性的条件下，充分发挥量子通信技术的优势，确保信息传输的安全性。

c）自由空间远距离量子通信技术。

在航天系统中，需构建天地、空地等长距离无线链路，实现天基、空基以及地基网络之间信息的安全交互。因此，自由空间远距离量子通信技术是实现航天系统中各信息节点间信息安全有效传输的基础，也是量子通信技术走向大规模应用的划时代技术。

d）高码率量子密钥生成技术。

量子密钥生成速率是衡量量子安全保密系统性能的重要指标，是实现“一次一密”大容量安全保密通信的基础。受限于元器件及量子密钥生成协议等因素，在工程应用中量子密钥生成速率不大于105bit/s。因此，提升量子密钥的生成速率，从而大幅度提高量子安全保密通信速率，是量子安全保密通信技术的重要方向之一。

4 后续发展启示与建议

4.1 量子通信对未来信息技术的作用

量子通信技术能够在原理上确保信息传输的绝对安全。目前，关于量子通信的基础理论研究以及实验工作取得了极大的突破，基于量子密钥分发技术的量子通信系统已经走向实用化，并且随着量子隐形传态技术的逐渐成熟，量子通信技术将对传统的通信领域产生颠覆性影响，是未来战争争夺制信息权的关键。为确保航天系统中信息传输的安全性，夺取体系对抗中的信息优势，应抓住量子通信技术发展的机遇，在航天系统中应用量子通信技术，变革航天系统现有保密通信技术，进一步提升信息传输的安全性，为夺取制信息权、赢得战争的最终胜利提供强有力的保障。

4.2 探索量子通信在航天领域中的工程化应用模式

在信息化战争的激烈对抗中，信息网络必然是敌方精确打击和信息攻击的首要目标。信息安全技术是保障信息及信息系统在复杂战场环境下稳定运行的重要技术，对提高武器装备在信息战中的实战能力具有重要意义。量子通信作为一种新型的通信技术，在军事信息系统领域具有重要的应用前景。量子通信技术提供了极为安全的保密通信，能够做到密钥安全分发，并能有效检测窃听，实现隐蔽通信，且信息效率高、信息容量大，为解决导弹武器系统的信息传输安全问题提供了有力保障。积极开展量子通信技术在导弹武器信息化系统中的工程化应用研究，将极大地提升导弹武器系统的信息安全水平和抗干扰能力，提高导弹武器系统的作战能力和生存、对抗能力。量子通信技术不仅可以应用于导弹武器系统、指挥信息系统，提高核安控能力，还可以拓展到综合保障信息系统领域、信息化作战体系领域，提高未来导弹武器系统的体系作战能力。

4.3 促进量子通信与现有航天装备的有效融合

航天系统是由多个信息系统组成的复杂军事系统，实际作战过程中大量的机密信息在系统网络中快速流转、传递，而密码系统可以为涉密信息的保密传输提供安全保障。密钥作为密码系统的核心，其安全性保障是实现保密通信安全的重点。量子密钥分发技术相对成熟，并逐步走向实用化，将其应用于现有导弹武器装备中，构建安全、可信的量子密钥产生与分发系统，能够有效检测窃听，确保密钥的绝对安全分发，从而实现真正意义上的保密通信。由于光量子密码具有“不可破”和“窃听可知性”，且光量子密码设备可与现在的光纤通信设备融合，因此，可以在现有通信网络架构的基础上，通过增加相应的量子密钥产生与分发设备、量子光纤链路等方式，改善军用网络信息传输保密性，从而提高信息保护和信息对抗能力。

4.4 构建未来信息化作战体系的军事保密通信网络

未来战争是信息化条件下的体系对抗，这种作战模式下，有效防止信息被敌方窃取、泄露，建立绝对安全的信息链路是保障体系间建立高速无缝、安全可靠信息链路的关键，也是战略导弹武器实现最终作战意图的核心。未来信息化作战体系中，通过利用量子通讯卫星、天基/空基量子密钥生成与分发系统，构建空间远距离量子通信网络，向战场覆盖区域内的用户分发量子密钥，形成信息化作战体系的安全通信网络，实现信息的绝对安全、保密传输，提高体系对抗能力。

军事信息网络需要大容量、高速率传输处理及按需共享能力。量子隐形传态技术利用量子纠缠对的非定域关联特性可实现量子信息的无障碍、任意距离的传输，使其能够在信息对抗中实现在任何时间、任何地点建立可靠通信链路的目的，有效提高通信能力。随着量子通信技术的研发突破和日趋成熟，可以利用量子隐形传态以及超大信道容量、超高通信速率和信息高效安全等特点，建立未来军事信息网络。

5 结束语

在未来信息化战争中，制信息权是争夺战争胜利的关键，而量子通信技术在信息安全保密传输方面有着无可比拟的优势，是确保未来信息化体系作战中夺取信息优势的利器。有效探索量子通信技术的工程化应用模式，将量子通信技术成功应用于指挥信息系统、导弹武器系统，乃至未来信息化作战体系中，能够为未来信息化作战条件下获得战场制信息权争取有力优势，从而大大提高航天系统装备的信息对抗能力和实战化能力。

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Application of Quantum Communication Technology in Space System

Yang Yong, Shi Ling-ling, Jia Xue-xian, Yan Xi-jun, Wu Qiang
(Beijing Institute of Astronautical Systems Engineering, Beijing, 100076)

Compared with the traditional security technology,quantum communication technology has a great advantage in information security,with a broad application in the field of military communication. Based on introducing the principle and the research progress of quantum communication technology,this paper gives application conceive of quantum communication technology in space system,in order to provide support for promoting the practical process of quantum communication and enhancing the ability of security protection of space information system.

Quantum communication; Information security; Space system; Key distribution

TJ761.1

A

1004-7182(2016)05-0048-05

10.7654/j.issn.1004-7182.20160511

2016-03-30；

2016-08-01

杨 勇（1987-），男，工程师，主要研究方向为电气系统总体设计