量子通信和传感在水下通信中的应用

陶建军，王诗琹，陈祥东

（中国电子科技集团公司第三十研究所，四川 成都 610041）

量子通信和传感在水下通信中的应用

陶建军，王诗琹，陈祥东

（中国电子科技集团公司第三十研究所，四川 成都 610041）

近十几年来，基于在数据传输安全性、传感测量灵敏度和精确度等方面的特殊技术优势，量子通信和传感技术得到了快速发展。量子通信和传感技术将为提升国家信息技术水平、增强国防实力，提供非常重要的基础支撑，尤其在研发新一代信息对抗武器方面具有非常重要的战略和战术意义。因此，介绍量子通信和传感技术的研究现状，展望量子通信和传感技术在水下通信中的应用，并阐述其发展中面临的问题，以期为进一步研究奠定基础。

水下量子通信；量子密钥分发；安全性；量子传感

0 引 言

在过去的几十年里，信息技术遵循着自身发展规律，给社会带来了天翻地覆的变化。目前，英特尔已经采用几十纳米工艺生产芯片，如果摩尔定律依然适用，将很快发展到采用十几纳米甚至几纳米工艺。这毫无疑问将进入“量子工艺”阶段，量子信息技术的实际应用也已为期不远。

由于量子通信在窃听检测和通信保密方面具有天然的理论优势，特别是量子密钥分发[1]（Quantum Key Distribution，QKD）技术保持着快速发展的态势，并且已无可置疑地成为一个具有战略意义的前沿技术领域之一。以QKD为代表的物理安全的量子保密通信技术的实用化，也已是一个明显的趋势。

光纤传感器在精密测量和探测、精确导航和制导等领域发挥着十分重要的作用[2]。比如，光纤水听器在潜艇探测方面的应用，光纤陀螺仪在精确制导武器和导航方面的应用等。目前，传统光纤水听器和光纤陀螺仪的测量精确度和探测灵敏度基本都达到理论极限，并且与高精度探测的需求还有一定差距。这已成为精密测量、精确探测和定位技术发展的瓶颈，并制约相关高精尖武器装备的发展。由于量子信号对干扰十分敏感，任何形式的传输损耗和干扰都将导致相应的数据丢失或产生突发量子误码，因此利用这些原理，可以用于设计量子光纤传感器，并将在精密测量、精确探测等技术领域发挥重要作用。基于在提高传感测量灵敏度和精确度方面的特殊优势及其在水下通信中的应用前景，量子光纤水听器研究也得到了越来越多的关注。

以下主要探讨量子通信和量子光纤水听器在水下通信中的应用研究现状、应用前景和发展趋势。

1 研究现状

1.1 量子通信和QKD

理论上，QKD具有与计算复杂度无关的物理安全性，是可以对抗量子计算攻击的一种新型密钥协商手段。如果采用理想的QKD系统方案，通信双方利用QKD系统可以协商出任意长度的随机比特序列；把这个随机比特序列作为一次一密的乱码样本来进行信息加解密，可以实现完全保密的通信。基于这种理想的应用愿景，QKD技术得到了广泛关注和快速发展。

目前，国外最远的点到点光纤QKD实验记录已超过250 km（速率约10 b/s）；QKD速率最高实验记录也超过50 Mb/s（在50 km光纤中传输）。目前，世界各国都在积极进行相关应用研究，美国[3]、欧盟[4]、日本和中国[5]等都进行了QKD网络实验。中国在QKD技术应用实验方面走在世界前面，特别是中科大的两个量子信息技术研究团队，都在积极部署QKD城域网，并将促进相关应用研究进程。

但是，目前QKD被实际应用的必要性基础还不可靠，如QKD系统的物理安全性模型及其安全性测评体系还不完善，QKD系统的实际安全性很难在中短期内得到完全解决等。另外，量子信号源、传输与检测等方面的技术现状与应用也有较大的差距。比如，量子纠缠信号源产生纠缠对的效率小于1%；单光子信号源的效率小于10%；单光子探测效率小于40%（在系统频率为100 MHz、暗记数小于1×10-5的情况下）。因此，短期内很难利用量子态进行所谓的量子通信，但是可以进行中低速的QKD或量子随机数生成。

量子通信的天然安全性满足水下军事通信的基本要求[6]。相比较于甚低频、超低频以及水声通信，量子通信传输机制不受海洋时间、频率弥散严重的非平稳随机的传输链路特性影响，也不受限于海流、内波、不均匀水体、海生物等的背静干扰噪声综合影响，且传输速率远远高于甚低频、超低频以及水声通信手段。2014年4月，中国海洋大学研究成果显示，水下量子通信在短距离内是可能的，并模拟计算了光子在保存其携带的量子信息的同时，进行水下量子通信能最远传输125 m，并认为量子通信技术用于水下目标通信，对于提高信息传输的准确性、保证信息安全性具有很高的价值。

1.2 量子传感

声纳设备是潜艇实现水下探测和通信任务的电子设备。作为声纳的核心器件，光纤水听器在潜艇对抗中发挥着举足轻重的作用。与通常的压电陶瓷水听器相比，光纤水听器具有重量轻、结构简单、抗电磁干扰、能做成大型声纳阵列等优点。从1990年开始至今，光纤水听器研究一直备受各国的重视。提高光纤水听器的探测灵敏度和精确度，是新一代潜艇对抗武器研究的重要方向之一，而量子光纤水听器具有较好的技术可行性和应用前景，代表了光纤水听器发展的方向。

量子信号对环境干扰的敏感性为开发量子光纤传感器奠定了良好基础。目前，量子光纤水听器、量子雷达成像和定位、量子光纤陀螺仪等已引起了一些研究团队的重视，并开始进行相关技术的探索研究。

美国国防先期研究计划局DARPA已经立项量子传感器的研究专题。美国的NIST和Los Alamos国家实验室主要从事基于TES的微观粒子探测技术、基于超导SQUID的磁场探测技术等。美国Sandia国家实验室主要研究基于原子物质波干涉的惯性测量系统，应用于精密导航和地震检测。美国陆军研究室主要研究基于激光冷却原子的陀螺仪、下一代小型传感器和微型原子电子器件等。

2 水下通信中的应用前景

2.1 量子通信和QKD

2.1.1 水下量子通信

纠缠粒子之间存在不受空间限制的关联性，并且可以实现隐形传态。利用这种现象，可以用于水下通信。不过，这种应用并不能突破经典通信的距离和速率极限[7]。

进行隐形传态通信必须首先进行纠缠粒子的分发和存储（采用在线预分发和筛选提纯的方式限制系统的速率，而采用离线分发的方式可以避免传输损耗，但也存在一定的局限性）。要进行水下通信并突破经典通信的距离极限，必须同时存在一个能够在这种条件下进行有效的经典信息交互的信道。当然，采用高精度的原子钟等离线同步方案，并采用事先协商好的方式进行相关测量，可以在一定程度解决上述难题。但是，在这种情况下，通信双方如何知道何时进行相关测量并实时获取信息？如何确定水下目标的位置？在事先存储的量子态使用完后，如何再次实现纠缠粒子的分发？当然，如果事先存储的量子态足以完成某次任务，并且不再进行后续的应用，这将不再是一个问题。但是，事实不会这么理想化，因此所有这些相关问题的解决都很难脱离经典通信系统。由于纠缠粒子之间不受时空限制的相关性本身只是一个事实，其中并没有信息量，因此纠缠粒子之间只有在进行相应的经典信息交互之后，才能实现通信功能。依赖辅助信息，就意味着不可能超越经典通信的极限。

在目前的量子通信模型下，量子通信在深水通信中并没有明显的技术优势，也很难突破经典通信的水下通信距离和速率极限。当然，这并不否定量子隐形传态在某些特殊环境下进行通信的优越性。因此，探索如何在新型的通信模型下突破水下通信的极限，无论对理论创新还是对国防军事通信安全等都具有非常重要的意义。

2.1.2 QKD的局限性

由于量子信号源、量子信道以及量子信号检测设备等性能上的局限性，针对QKD系统及其应用主要存在以下几个方面的局限性。

（1）QKD系统的实际安全性需要不断完善

目前，QKD相关的大多数研究成果都基于系统终端的可信性，但是QKD系统终端的可信性与传统通信终端的可信性环境已完全不同。

当前，QKD系统广泛采用诱骗态QKD协议。诱骗态协议的核心思想是让窃听者无法区分进入信道的光子来自信号态还是诱骗态。但是，发送端可以区分这两种量子态，从而增加了发送端被植入后门或木马的风险，也给系统终端的安全性检测带来了更多挑战[8]。比如，发送端的隐蔽木马主动干扰信号态和诱骗态的波长，使二者之间存在一个微小的、在接收端不被过滤掉但是Eve可区分的波长差，那么就可以为Eve隐蔽窃听开启方便之门，而Bob却很难发现这个事实。目前，QKD系统还无法完全排除被“旁路攻击”的可能性。当然，这并不是对QKD安全性的否定，而是说明QKD系统与传统保密通信系统具有不同的安全和信任环境，而如何构建可信赖的QKD系统还需要进一步的探讨。

（2）QKD系统的安全性测评体系需要创新

由于QKD系统的技术和成本费用门槛较高，实际参与QKD系统安全性的分析也主要局限于一些研究机构和大学。伴随着相关技术的不断发展，针对物理安全系统的攻防，将成为水下通信密码攻防领域的新型“战场”。从辩证的观点来看，这种新型的攻防较量也将持续存在。“量子密码终结黑客”的“预言”也将仅仅是一个梦想。

由于很难确保QKD系统的关键元器件都合乎理论要求[9]，也很难确保QKD系统不被植入“后门”，更难评估潜在对手拥有什么等级的分析破译技术手段和工具。因此，目前还很难对QKD系统的实际安全性进行合理界定。这都将给QKD系统的可信性和安全性带来一定的挑战，同时对QKD系统的测评也提出了更高要求。

（3）QKD系统不可能解决所有信息安全问题

从QKD自身的技术特点分析，一方面由于量子态不能精确克隆，量子信号的远距离传输、路由以及QKD系统的自由组网都将存在一定的技术瓶颈，且量子信号的传输也不像经典电磁波具有很大的灵活性。因此，QKD很难与传统的通信网络进行无缝对接，很难适应无线互联网、移动互联网等，也很难在广域网应用中发挥关键作用。另一方面，QKD为点到点的数据传输安全提供了一种新型的解决方案，但是与保密通信密切相关的身份识别和数据存储保护等问题，并没有在量子信息技术范畴内得到有效解决。

因此，在短期内，QKD技术并不能取代传统的通信保密技术，而极有可能成为水下通信保密技术的重要补充。另外，QKD系统的抗干扰性能、通信距离和速率等，也将直接影响其应用进程。而不断完善QKD系统的安全体系，通过较小范围内的实际应用探索其应用可行性，具有重要的实践意义。

2.2 量子传感

量子传感器是基于量子效应或量子检测特点实现的高精度新型传感器。它利用量子信号对环境变化的极高敏感性，提高传感器的灵敏度和测量精度。

光纤传感器在精密测量和探测、精确导航和制导等领域发挥着十分重要的作用。通过对传统光纤传感器的性能分析发现，在传统光纤传感器的不敏感区域或盲区，对量子传感系统来说却是一个具有更高自由度的、极其敏感的测量区域，这正是设计量子光纤传感器的良好基础。

通过对光纤弯曲式强度调制型光纤传感器进行模拟发现，在光纤极度弯曲并缓慢松开的过程中，量子信号检测器对通过弯曲光纤的光子数极其敏感，而传统的光纤信号检测仪器存在一定的测量盲区，即量子检测器对信号的微弱变化更加敏感。因此，量子光纤传感器具有较高的技术可行性和较好的应用前景。然而，相关技术还未引起广泛的关注，目前公开文献中只有少量关于量子霍尔传感器、量子生物传感器和基于量子纠缠的量子传感器研究的介绍材料。

研究表明，量子光纤水听器的灵敏度比传统光纤水听器的灵敏度高2个数量级以上，在提高对敌舰艇的探测灵敏度和探测距离方面具有良好的军事应用前景。因此，开发具有更高探测精确度和灵敏度的量子光纤水听器，对提高对敌舰艇的探测灵敏度和探测距离，为及时发现、打击敌方舰艇，提高己方舰艇的生存力和战斗力等具有举足轻重的作用。与此同时，量子光纤水听器也可以用于评估水下通信环境的安全性。

3 结 语

目前，欧盟、中国、日本等都在进行星地量子通信研究。中科院于2011年底启动了“量子科学实验卫星”战略性先导科技专项。该专项预计在2016年左右发射卫星，将在国际上率先实现星地量子通信，并将促进相关技术在水下通信中的应用研究。

传统高、精、尖技术发展瓶颈问题的解决也需要新型的技术途径，量子传感器技术在突破测量精确度、探测灵敏度和准确度等方面将发挥重要作用。但是，提出新型的量子光纤水听器的实现方法和途径具有较大的难度，加大投入对于相关技术发展至关重要。

总之，近十年，量子通信和传感技术发展迅速，方兴未艾。量子通信和传感在水下通信中的新型应用途径也值得深入发掘。毋庸置疑，量子通信和传感在水下通信中的实际应用将改变未来军事对抗的格局。积极开展量子通信和传感基础和应用探索研究，对于抢占军事对抗制高点非常重要。

[1] Bennett C H,Brassard G.Quantum Cryptography:Public Key Distribution and Coin Tossing[C].International Conference on Computers,Systems &Signal Processing,1984:175-179.

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[3] Elliott C.Building the Quantum Network[J].New J Phys,2002(04):46.

[4] Poppe A,Peev M,Maurhart O.Outline of the SECOQC Quantum Key Distribution Network in Vienna[J].International Journal of Quantum Information,2008,6(02):209-218.

[5] Chen W,Han Z F,Zhang T,et al.Field Experimental "Star Type" Metropolitan Quantum Key Distribution Network[J]. IEEE Photonics Technology Letters,2009,21(09):575-577.

[6] 王毅凡,周密,宋志慧.水下无线通信技术发展研究[J].通信技术,2014,47(06):589-594. WANG Yi-fan,ZHOU Mi,SONG Zhi-hui.Development of Underwater Wireless Communication Technology[J]. Communications Technology,2014,47(06):589-594.

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[9] 李宏伟,陈巍,黄靖正等.量子密码安全性研究[J].中国科学,2012,42(11):1237-1255. LI Hong-wei,CHEN Wei,HUANG Jing-zheng,et al.Security of Puantum Key Distribution[J].Science China,2012,42(11):1237-1255.

陶建军（1977—），男，硕士，工程师，主要研究方向为保密通信、信息安全；

王诗琹（1984—），女，学士，工程师，主要研究方向为项目管理、嵌入式设备硬件设计及测试；

陈祥东（1979—），男，学士，工程师，主要研究方向为保密通信、信息安全。

Underwater Application of Quantum Communication and Sensor

TAO Jian-jun, WANG Shi-qin, CHEN Xiang-dong
(No.30 Institute of CETC, Chengdu Sichuan 610041, China)

For their security in signal transmission, high-precision and resolution in measurement, quantum communication and sensor technology achieve rapid development in the last decade. Quantum communication and sensor would raise the level of state information technology and strengthen the national defense capabilities, and in particular, play both strategic and tactics roles in the development of new-generation information weapons. This paper principally describes the current status in quantum communication and sensor, forecasts their potential applications in underwater communication, and gives some remarks on the related problems.

quantum communication; quantum key distribution; security; quantum sensor

TN918.1；TN911.2

A

1002-0802(2016)-12-1720-04

10.3969/j.issn.1002-0802.2016.12.027

2016-08-07

2016-11-18 Received date:2016-08-07;Revised date:2016-11-18

中国电子科技集团公司技术创新基金项目“安全保密通信技术”（No.21020209）

Foundation Item:China Electronic Technology Group Corporation Technology Innovation Fund Project"Secure and secure communication technology"(No.21020209)