量子通信在军事领域的应用优势

乔伟哲，李 雅

(1.山西大众电子信息产业集团有限公司第一研究所,山西 太原 030024；2.山西大学,山西 太原 030006)

0 引言

信息化战争主要指在当年信息技术高度发展的核威胁的情况下，一种能够充分依靠可利用的信息化资源和信息化战争形态，敌我双方主要以信息化技术资源为主要依托，在陆、海、空、天、电等多位空间进行多兵种的战斗形式。所以获取信息的高效和保密成为战争胜利的一大法宝和取胜的关键所在[1]。拥有信息的能力就会成为信息化战争的“钥匙”。

量子通信是一种新型的通讯手段，主要是利用量子纠缠效应进行传递信息的一种载体，是近代新兴的一种学科，是量子论与通信与信息论相互交叉的新领域。

光量子通信主要是基于量子纠缠效应的理论知识，利用量子隐形传递的方式来实现信息的交互。经过无处次实验可以得出一个结论，只要具有纠缠态的两个粒子，不论两个粒子相距多少距离，只要其中一个粒子的状态发生变化，另一个粒子也会瞬间发生状态的改变。利用此实验结论，可以实现光量子通信的过程：可以事先构造一对有着量子纠缠态的粒子，将这一对粒子分别放置于通信实验的两端，将待测粒子和已知状态粒子进行联合测量，被测量的粒子瞬间发生的坍塌，此状态和已知粒子的坍塌后的状态是对称的，接着将联合的测量信息经过信道传递给受测量的粒子，受测量的粒子依据所接收到的信息对坍塌的粒子进行幺正变换(也就是逆转变换)，这样就可以得到和已知粒子完全相同的未知量子形态[2]。

在安全性能和高效性能方面，经典通信和光量子通信是无法比拟的。就安全性而言，首先，量子通信加密的钥匙是随机的，所以不存在泄密的现象，就算是被敌军截住信息，也没有办法得到正确的信息，故无法破译其中的信息；其次，已知粒子和被测粒子，两者均具有纠缠态形式，只要其中的一个粒子发生量子态的变化，另外一方的量子态形式也就会随之马上变化，而且根据量子理论，在宏观状态的任何视觉观察和干扰，均会马上改变量子态形式，便会引起粒子的坍塌，这样敌军就会由于受到干扰而得到不完整的信息或者被破坏的信息，而不是原先正确的信息[3]。而高效性指的是被测的未知量子态在此之前是处于纠缠态的，也就是同时代表几个状态，比如说一个量子态可以同时有两种表现形式，可以用0和1表示，7个这样的量子态便意义一起表示128个这样的状态，或者用128个数字来表示这种状态。一般量子通信传输一次就相当于普通通信传送128次。假如传输带宽是64位甚至更高的情况下，量子通信和普通通信的差距就是2的N次方，甚至会更高。倘若这一技术运用于军事领域，在信息化时代的战争，我国将会在这一领域一直处于领先地位。

1 光通信与电通信

在信息化的通信时代中，光和电均可以作为一种传播的载体。作为一种载体，光子和电子所携带的数据量是不一样的。即便两者的传输速度是一样的。这里的数据量指的是计算机可以识别的信息可以转化为其他信息的以0和1表示的数据。在电子信号中1代表高电平，0代表低电平，电路中电流的接通或者断开也可以用0和1来表示，或者是正负极的交替。这样接通断开的快慢决定信号产生数据量的大小，比如激光变化非常快，产生的数据量就比较多，电信号的通断比起激光就少很多，也就会出现数据量的承载差别，引起相应带宽速度的不同。

虽然目前的电信号已经不是和以前那样的单指信号的通断或者是正负极的转换了，目前还可以通过其他办法进行提高信号的速度，例如：使用的双绞线以太网电缆，可以通过改变电压值，来改变传输速度，实现一次传输5位信息，而不是以前的2位信息，并且还可以通过4对双绞线组成一束的形式，成功将速度提升到1Gbit/s。目前千兆以太网的通信能够将速度提升到1Gbit/s，可以说已经到了极限，作为电信号通信手段，提升的空间不是很大，但是理论上光子传输信号的能力可以达到100Tbit/s的传输速度。另外，电信号还存在比较大的衰减问题，电信号传输速度会从一开始的光速c，在传输过程中衰减到0.77c，光子信号传输基本没有衰减，不会出现这样的情况，并且传输的距离也不会影响其传输的数据量，所以目前对光子的传输作为热点和重点来研究。

2 量子探测

目前，量子探测技术可以实现对非常微弱的信号进行探测，目前的光子探测技术，可以实现将现成的机载光电探测距离从短短的几十公里提升至上千甚至好几千公里，这将会引起机载目标的变革，此探测技术将会对未来的对空作战有了很大的提升。

可以借助于单光子超高灵敏度的探测系统，可以在距离数百千米到几千千米内发现隐形飞机的踪迹，使其无处隐形。F-22、B-2等隐形飞机是配装有单光子探测系统的战斗机，实现了从中距离作战转向远距离作战。比如目前装载单光子的超远程空空导弹，他的活力距离甚至可以攻击到几百甚至几千公里之外的敌军目标。将空中战争从原先的几十公里的超视距作战转变成为现在的相隔数千公里的非接触式的作战形式。

利用配备有单光子探测系统的装备，这样就可以构建一个大型单光子探测系统网络，只需要少数的单光子探测系统便可以实现在对空网络的全范围覆盖，在这种基础上，联合地面或者空中的导弹或者远程攻击导弹构成一个地空联合作战火力网络，将单光子系统网络当成目标探测系统，可以对所设置位置的任意一点发射导弹，进行目标跟踪定位，真实实现意义上的“全球感知，全球打击”。

3 量子加密

量子通信其实是利用量子力学的性质来对原先传统的通信方式和内容进行加密的过程，并不是利用光子来进行通信的，目前的通信方式依然是光纤通信，所以量子通信通常也被称为是量子加密[4]。

对于日常生活中的一些信号信息，在传播的过程中也许不需要对其信息全部加密，但是如果信号内容涉及到个人隐私信息或者涉及到个人财产信息，甚至涉及到军事领域方面的信息，必然要采取加密的手段进行处理，如果被敌军或者不法人员截获到这样的信息，后果将难以想象。比如：在第二次世界大战时期，日本海军方面各个部门均有自己的一套密码本，但是被美军截获到日本海军的密码本，并且破译了日本海军的军事机密，导致日本海军总司令的行踪被发现，并且日本海军的行动成为透明[5]。

从这点看出通信加密是非常重要的，物理学家就想到用光量子来对通信的内容进行加密，光量子通信技术主要是利用了光量子通信的三个性质，这三个性质分别是测不准原理、单个量子不可克隆原理、单个光子不可再分。也是由于这三个性质，就算通信内容被不法分子或者敌军截获，这些人也没有办法对光量子加密后的信息进行处理，更谈不上对其信息进行破译了[6]。

4 总结

正是基于量子信息加密的安全和高效，成为近几年来国际军事领域探讨的主要话题之一。2016年8月16日，世界第一颗量子通信卫星墨子号发射成功，2017年9月29日，世界首条量子保密通信干线——“京沪干线”正式开通。结合“京沪干线”与“墨子号”的天地链路，我国的科研人员成功突破洲际量子保密通信这个技术难题。这一成功的通信标志着我国在全球范围内已经构建了第一个地空一体化量子通信网络的雏形，为未来实现全球范围内量子保密通信奠定了坚实的基础。“京沪干线”项目在2013年7月时立项，到2017年8月底，在合肥已经完成了全网的验收。“京沪干线”建成后就实现了从北京到上海，且贯穿济南、合肥整条全长二千多公里的加密量子通信覆盖网，并且可以通过北京方面的接入点实现了与“墨子号”的成功对接，这对我国未来构建量子加密网络全球覆盖奠定了坚实的基础，为我国国防事业的安全提供了基础支持和安全保障。