量子通信在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用優(yōu)勢

喬偉哲，李 雅

(1.山西大眾電子信息產(chǎn)業(yè)集團(tuán)有限公司第一研究所,山西 太原 030024；2.山西大學(xué),山西 太原 030006)

0 引言

信息化戰(zhàn)爭主要指在當(dāng)年信息技術(shù)高度發(fā)展的核威脅的情況下，一種能夠充分依靠可利用的信息化資源和信息化戰(zhàn)爭形態(tài)，敵我雙方主要以信息化技術(shù)資源為主要依托，在陸、海、空、天、電等多位空間進(jìn)行多兵種的戰(zhàn)斗形式。所以獲取信息的高效和保密成為戰(zhàn)爭勝利的一大法寶和取勝的關(guān)鍵所在[1]。擁有信息的能力就會成為信息化戰(zhàn)爭的“鑰匙”。

量子通信是一種新型的通訊手段，主要是利用量子糾纏效應(yīng)進(jìn)行傳遞信息的一種載體，是近代新興的一種學(xué)科，是量子論與通信與信息論相互交叉的新領(lǐng)域。

光量子通信主要是基于量子糾纏效應(yīng)的理論知識，利用量子隱形傳遞的方式來實(shí)現(xiàn)信息的交互。經(jīng)過無處次實(shí)驗(yàn)可以得出一個結(jié)論，只要具有糾纏態(tài)的兩個粒子，不論兩個粒子相距多少距離，只要其中一個粒子的狀態(tài)發(fā)生變化，另一個粒子也會瞬間發(fā)生狀態(tài)的改變。利用此實(shí)驗(yàn)結(jié)論，可以實(shí)現(xiàn)光量子通信的過程：可以事先構(gòu)造一對有著量子糾纏態(tài)的粒子，將這一對粒子分別放置于通信實(shí)驗(yàn)的兩端，將待測粒子和已知狀態(tài)粒子進(jìn)行聯(lián)合測量，被測量的粒子瞬間發(fā)生的坍塌，此狀態(tài)和已知粒子的坍塌后的狀態(tài)是對稱的，接著將聯(lián)合的測量信息經(jīng)過信道傳遞給受測量的粒子，受測量的粒子依據(jù)所接收到的信息對坍塌的粒子進(jìn)行幺正變換(也就是逆轉(zhuǎn)變換)，這樣就可以得到和已知粒子完全相同的未知量子形態(tài)[2]。

在安全性能和高效性能方面，經(jīng)典通信和光量子通信是無法比擬的。就安全性而言，首先，量子通信加密的鑰匙是隨機(jī)的，所以不存在泄密的現(xiàn)象，就算是被敵軍截住信息，也沒有辦法得到正確的信息，故無法破譯其中的信息；其次，已知粒子和被測粒子，兩者均具有糾纏態(tài)形式，只要其中的一個粒子發(fā)生量子態(tài)的變化，另外一方的量子態(tài)形式也就會隨之馬上變化，而且根據(jù)量子理論，在宏觀狀態(tài)的任何視覺觀察和干擾，均會馬上改變量子態(tài)形式，便會引起粒子的坍塌，這樣敵軍就會由于受到干擾而得到不完整的信息或者被破壞的信息，而不是原先正確的信息[3]。而高效性指的是被測的未知量子態(tài)在此之前是處于糾纏態(tài)的，也就是同時代表幾個狀態(tài)，比如說一個量子態(tài)可以同時有兩種表現(xiàn)形式，可以用0和1表示，7個這樣的量子態(tài)便意義一起表示128個這樣的狀態(tài)，或者用128個數(shù)字來表示這種狀態(tài)。一般量子通信傳輸一次就相當(dāng)于普通通信傳送128次。假如傳輸帶寬是64位甚至更高的情況下，量子通信和普通通信的差距就是2的N次方，甚至?xí)摺Ｌ热暨@一技術(shù)運(yùn)用于軍事領(lǐng)域，在信息化時代的戰(zhàn)爭，我國將會在這一領(lǐng)域一直處于領(lǐng)先地位。

1 光通信與電通信

在信息化的通信時代中，光和電均可以作為一種傳播的載體。作為一種載體，光子和電子所攜帶的數(shù)據(jù)量是不一樣的。即便兩者的傳輸速度是一樣的。這里的數(shù)據(jù)量指的是計(jì)算機(jī)可以識別的信息可以轉(zhuǎn)化為其他信息的以0和1表示的數(shù)據(jù)。在電子信號中1代表高電平，0代表低電平，電路中電流的接通或者斷開也可以用0和1來表示，或者是正負(fù)極的交替。這樣接通斷開的快慢決定信號產(chǎn)生數(shù)據(jù)量的大小，比如激光變化非?？欤a(chǎn)生的數(shù)據(jù)量就比較多，電信號的通斷比起激光就少很多，也就會出現(xiàn)數(shù)據(jù)量的承載差別，引起相應(yīng)帶寬速度的不同。

雖然目前的電信號已經(jīng)不是和以前那樣的單指信號的通斷或者是正負(fù)極的轉(zhuǎn)換了，目前還可以通過其他辦法進(jìn)行提高信號的速度，例如：使用的雙絞線以太網(wǎng)電纜，可以通過改變電壓值，來改變傳輸速度，實(shí)現(xiàn)一次傳輸5位信息，而不是以前的2位信息，并且還可以通過4對雙絞線組成一束的形式，成功將速度提升到1Gbit/s。目前千兆以太網(wǎng)的通信能夠?qū)⑺俣忍嵘?Gbit/s，可以說已經(jīng)到了極限，作為電信號通信手段，提升的空間不是很大，但是理論上光子傳輸信號的能力可以達(dá)到100Tbit/s的傳輸速度。另外，電信號還存在比較大的衰減問題，電信號傳輸速度會從一開始的光速c，在傳輸過程中衰減到0.77c，光子信號傳輸基本沒有衰減，不會出現(xiàn)這樣的情況，并且傳輸?shù)木嚯x也不會影響其傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量，所以目前對光子的傳輸作為熱點(diǎn)和重點(diǎn)來研究。

2 量子探測

目前，量子探測技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對非常微弱的信號進(jìn)行探測，目前的光子探測技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)將現(xiàn)成的機(jī)載光電探測距離從短短的幾十公里提升至上千甚至好幾千公里，這將會引起機(jī)載目標(biāo)的變革，此探測技術(shù)將會對未來的對空作戰(zhàn)有了很大的提升。

可以借助于單光子超高靈敏度的探測系統(tǒng)，可以在距離數(shù)百千米到幾千千米內(nèi)發(fā)現(xiàn)隱形飛機(jī)的蹤跡，使其無處隱形。F-22、B-2等隱形飛機(jī)是配裝有單光子探測系統(tǒng)的戰(zhàn)斗機(jī)，實(shí)現(xiàn)了從中距離作戰(zhàn)轉(zhuǎn)向遠(yuǎn)距離作戰(zhàn)。比如目前裝載單光子的超遠(yuǎn)程空空導(dǎo)彈，他的活力距離甚至可以攻擊到幾百甚至幾千公里之外的敵軍目標(biāo)。將空中戰(zhàn)爭從原先的幾十公里的超視距作戰(zhàn)轉(zhuǎn)變成為現(xiàn)在的相隔數(shù)千公里的非接觸式的作戰(zhàn)形式。

利用配備有單光子探測系統(tǒng)的裝備，這樣就可以構(gòu)建一個大型單光子探測系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，只需要少數(shù)的單光子探測系統(tǒng)便可以實(shí)現(xiàn)在對空網(wǎng)絡(luò)的全范圍覆蓋，在這種基礎(chǔ)上，聯(lián)合地面或者空中的導(dǎo)彈或者遠(yuǎn)程攻擊導(dǎo)彈構(gòu)成一個地空聯(lián)合作戰(zhàn)火力網(wǎng)絡(luò)，將單光子系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)當(dāng)成目標(biāo)探測系統(tǒng)，可以對所設(shè)置位置的任意一點(diǎn)發(fā)射導(dǎo)彈，進(jìn)行目標(biāo)跟蹤定位，真實(shí)實(shí)現(xiàn)意義上的“全球感知，全球打擊”。

3 量子加密

量子通信其實(shí)是利用量子力學(xué)的性質(zhì)來對原先傳統(tǒng)的通信方式和內(nèi)容進(jìn)行加密的過程，并不是利用光子來進(jìn)行通信的，目前的通信方式依然是光纖通信，所以量子通信通常也被稱為是量子加密[4]。

對于日常生活中的一些信號信息，在傳播的過程中也許不需要對其信息全部加密，但是如果信號內(nèi)容涉及到個人隱私信息或者涉及到個人財(cái)產(chǎn)信息，甚至涉及到軍事領(lǐng)域方面的信息，必然要采取加密的手段進(jìn)行處理，如果被敵軍或者不法人員截獲到這樣的信息，后果將難以想象。比如：在第二次世界大戰(zhàn)時期，日本海軍方面各個部門均有自己的一套密碼本，但是被美軍截獲到日本海軍的密碼本，并且破譯了日本海軍的軍事機(jī)密，導(dǎo)致日本海軍總司令的行蹤被發(fā)現(xiàn)，并且日本海軍的行動成為透明[5]。

從這點(diǎn)看出通信加密是非常重要的，物理學(xué)家就想到用光量子來對通信的內(nèi)容進(jìn)行加密，光量子通信技術(shù)主要是利用了光量子通信的三個性質(zhì)，這三個性質(zhì)分別是測不準(zhǔn)原理、單個量子不可克隆原理、單個光子不可再分。也是由于這三個性質(zhì)，就算通信內(nèi)容被不法分子或者敵軍截獲，這些人也沒有辦法對光量子加密后的信息進(jìn)行處理，更談不上對其信息進(jìn)行破譯了[6]。

4 總結(jié)

正是基于量子信息加密的安全和高效，成為近幾年來國際軍事領(lǐng)域探討的主要話題之一。2016年8月16日，世界第一顆量子通信衛(wèi)星墨子號發(fā)射成功，2017年9月29日，世界首條量子保密通信干線——“京滬干線”正式開通。結(jié)合“京滬干線”與“墨子號”的天地鏈路，我國的科研人員成功突破洲際量子保密通信這個技術(shù)難題。這一成功的通信標(biāo)志著我國在全球范圍內(nèi)已經(jīng)構(gòu)建了第一個地空一體化量子通信網(wǎng)絡(luò)的雛形，為未來實(shí)現(xiàn)全球范圍內(nèi)量子保密通信奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)?！熬删€”項(xiàng)目在2013年7月時立項(xiàng)，到2017年8月底，在合肥已經(jīng)完成了全網(wǎng)的驗(yàn)收?！熬删€”建成后就實(shí)現(xiàn)了從北京到上海，且貫穿濟(jì)南、合肥整條全長二千多公里的加密量子通信覆蓋網(wǎng)，并且可以通過北京方面的接入點(diǎn)實(shí)現(xiàn)了與“墨子號”的成功對接，這對我國未來構(gòu)建量子加密網(wǎng)絡(luò)全球覆蓋奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，為我國國防事業(yè)的安全提供了基礎(chǔ)支持和安全保障。