量子通信和傳感在水下通信中的應(yīng)用

陶建軍，王詩琹，陳祥東

（中國電子科技集團(tuán)公司第三十研究所，四川 成都 610041）

量子通信和傳感在水下通信中的應(yīng)用

陶建軍，王詩琹，陳祥東

（中國電子科技集團(tuán)公司第三十研究所，四川 成都 610041）

近十幾年來，基于在數(shù)據(jù)傳輸安全性、傳感測量靈敏度和精確度等方面的特殊技術(shù)優(yōu)勢，量子通信和傳感技術(shù)得到了快速發(fā)展。量子通信和傳感技術(shù)將為提升國家信息技術(shù)水平、增強(qiáng)國防實(shí)力，提供非常重要的基礎(chǔ)支撐，尤其在研發(fā)新一代信息對抗武器方面具有非常重要的戰(zhàn)略和戰(zhàn)術(shù)意義。因此，介紹量子通信和傳感技術(shù)的研究現(xiàn)狀，展望量子通信和傳感技術(shù)在水下通信中的應(yīng)用，并闡述其發(fā)展中面臨的問題，以期為進(jìn)一步研究奠定基礎(chǔ)。

水下量子通信；量子密鑰分發(fā)；安全性；量子傳感

0 引 言

在過去的幾十年里，信息技術(shù)遵循著自身發(fā)展規(guī)律，給社會帶來了天翻地覆的變化。目前，英特爾已經(jīng)采用幾十納米工藝生產(chǎn)芯片，如果摩爾定律依然適用，將很快發(fā)展到采用十幾納米甚至幾納米工藝。這毫無疑問將進(jìn)入“量子工藝”階段，量子信息技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用也已為期不遠(yuǎn)。

由于量子通信在竊聽檢測和通信保密方面具有天然的理論優(yōu)勢，特別是量子密鑰分發(fā)[1]（Quantum Key Distribution，QKD）技術(shù)保持著快速發(fā)展的態(tài)勢，并且已無可置疑地成為一個具有戰(zhàn)略意義的前沿技術(shù)領(lǐng)域之一。以QKD為代表的物理安全的量子保密通信技術(shù)的實(shí)用化，也已是一個明顯的趨勢。

光纖傳感器在精密測量和探測、精確導(dǎo)航和制導(dǎo)等領(lǐng)域發(fā)揮著十分重要的作用[2]。比如，光纖水聽器在潛艇探測方面的應(yīng)用，光纖陀螺儀在精確制導(dǎo)武器和導(dǎo)航方面的應(yīng)用等。目前，傳統(tǒng)光纖水聽器和光纖陀螺儀的測量精確度和探測靈敏度基本都達(dá)到理論極限，并且與高精度探測的需求還有一定差距。這已成為精密測量、精確探測和定位技術(shù)發(fā)展的瓶頸，并制約相關(guān)高精尖武器裝備的發(fā)展。由于量子信號對干擾十分敏感，任何形式的傳輸損耗和干擾都將導(dǎo)致相應(yīng)的數(shù)據(jù)丟失或產(chǎn)生突發(fā)量子誤碼，因此利用這些原理，可以用于設(shè)計量子光纖傳感器，并將在精密測量、精確探測等技術(shù)領(lǐng)域發(fā)揮重要作用?；谠谔岣邆鞲袦y量靈敏度和精確度方面的特殊優(yōu)勢及其在水下通信中的應(yīng)用前景，量子光纖水聽器研究也得到了越來越多的關(guān)注。

以下主要探討量子通信和量子光纖水聽器在水下通信中的應(yīng)用研究現(xiàn)狀、應(yīng)用前景和發(fā)展趨勢。

1 研究現(xiàn)狀

1.1 量子通信和QKD

理論上，QKD具有與計算復(fù)雜度無關(guān)的物理安全性，是可以對抗量子計算攻擊的一種新型密鑰協(xié)商手段。如果采用理想的QKD系統(tǒng)方案，通信雙方利用QKD系統(tǒng)可以協(xié)商出任意長度的隨機(jī)比特序列；把這個隨機(jī)比特序列作為一次一密的亂碼樣本來進(jìn)行信息加解密，可以實(shí)現(xiàn)完全保密的通信?；谶@種理想的應(yīng)用愿景，QKD技術(shù)得到了廣泛關(guān)注和快速發(fā)展。

目前，國外最遠(yuǎn)的點(diǎn)到點(diǎn)光纖QKD實(shí)驗(yàn)記錄已超過250 km（速率約10 b/s）；QKD速率最高實(shí)驗(yàn)記錄也超過50 Mb/s（在50 km光纖中傳輸）。目前，世界各國都在積極進(jìn)行相關(guān)應(yīng)用研究，美國[3]、歐盟[4]、日本和中國[5]等都進(jìn)行了QKD網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)。中國在QKD技術(shù)應(yīng)用實(shí)驗(yàn)方面走在世界前面，特別是中科大的兩個量子信息技術(shù)研究團(tuán)隊(duì)，都在積極部署QKD城域網(wǎng)，并將促進(jìn)相關(guān)應(yīng)用研究進(jìn)程。

但是，目前QKD被實(shí)際應(yīng)用的必要性基礎(chǔ)還不可靠，如QKD系統(tǒng)的物理安全性模型及其安全性測評體系還不完善，QKD系統(tǒng)的實(shí)際安全性很難在中短期內(nèi)得到完全解決等。另外，量子信號源、傳輸與檢測等方面的技術(shù)現(xiàn)狀與應(yīng)用也有較大的差距。比如，量子糾纏信號源產(chǎn)生糾纏對的效率小于1%；單光子信號源的效率小于10%；單光子探測效率小于40%（在系統(tǒng)頻率為100 MHz、暗記數(shù)小于1×10-5的情況下）。因此，短期內(nèi)很難利用量子態(tài)進(jìn)行所謂的量子通信，但是可以進(jìn)行中低速的QKD或量子隨機(jī)數(shù)生成。

量子通信的天然安全性滿足水下軍事通信的基本要求[6]。相比較于甚低頻、超低頻以及水聲通信，量子通信傳輸機(jī)制不受海洋時間、頻率彌散嚴(yán)重的非平穩(wěn)隨機(jī)的傳輸鏈路特性影響，也不受限于海流、內(nèi)波、不均勻水體、海生物等的背靜干擾噪聲綜合影響，且傳輸速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于甚低頻、超低頻以及水聲通信手段。2014年4月，中國海洋大學(xué)研究成果顯示，水下量子通信在短距離內(nèi)是可能的，并模擬計算了光子在保存其攜帶的量子信息的同時，進(jìn)行水下量子通信能最遠(yuǎn)傳輸125 m，并認(rèn)為量子通信技術(shù)用于水下目標(biāo)通信，對于提高信息傳輸?shù)臏?zhǔn)確性、保證信息安全性具有很高的價值。

1.2 量子傳感

聲納設(shè)備是潛艇實(shí)現(xiàn)水下探測和通信任務(wù)的電子設(shè)備。作為聲納的核心器件，光纖水聽器在潛艇對抗中發(fā)揮著舉足輕重的作用。與通常的壓電陶瓷水聽器相比，光纖水聽器具有重量輕、結(jié)構(gòu)簡單、抗電磁干擾、能做成大型聲納陣列等優(yōu)點(diǎn)。從1990年開始至今，光纖水聽器研究一直備受各國的重視。提高光纖水聽器的探測靈敏度和精確度，是新一代潛艇對抗武器研究的重要方向之一，而量子光纖水聽器具有較好的技術(shù)可行性和應(yīng)用前景，代表了光纖水聽器發(fā)展的方向。

量子信號對環(huán)境干擾的敏感性為開發(fā)量子光纖傳感器奠定了良好基礎(chǔ)。目前，量子光纖水聽器、量子雷達(dá)成像和定位、量子光纖陀螺儀等已引起了一些研究團(tuán)隊(duì)的重視，并開始進(jìn)行相關(guān)技術(shù)的探索研究。

美國國防先期研究計劃局DARPA已經(jīng)立項(xiàng)量子傳感器的研究專題。美國的NIST和Los Alamos國家實(shí)驗(yàn)室主要從事基于TES的微觀粒子探測技術(shù)、基于超導(dǎo)SQUID的磁場探測技術(shù)等。美國Sandia國家實(shí)驗(yàn)室主要研究基于原子物質(zhì)波干涉的慣性測量系統(tǒng)，應(yīng)用于精密導(dǎo)航和地震檢測。美國陸軍研究室主要研究基于激光冷卻原子的陀螺儀、下一代小型傳感器和微型原子電子器件等。

2 水下通信中的應(yīng)用前景

2.1 量子通信和QKD

2.1.1 水下量子通信

糾纏粒子之間存在不受空間限制的關(guān)聯(lián)性，并且可以實(shí)現(xiàn)隱形傳態(tài)。利用這種現(xiàn)象，可以用于水下通信。不過，這種應(yīng)用并不能突破經(jīng)典通信的距離和速率極限[7]。

進(jìn)行隱形傳態(tài)通信必須首先進(jìn)行糾纏粒子的分發(fā)和存儲（采用在線預(yù)分發(fā)和篩選提純的方式限制系統(tǒng)的速率，而采用離線分發(fā)的方式可以避免傳輸損耗，但也存在一定的局限性）。要進(jìn)行水下通信并突破經(jīng)典通信的距離極限，必須同時存在一個能夠在這種條件下進(jìn)行有效的經(jīng)典信息交互的信道。當(dāng)然，采用高精度的原子鐘等離線同步方案，并采用事先協(xié)商好的方式進(jìn)行相關(guān)測量，可以在一定程度解決上述難題。但是，在這種情況下，通信雙方如何知道何時進(jìn)行相關(guān)測量并實(shí)時獲取信息？如何確定水下目標(biāo)的位置？在事先存儲的量子態(tài)使用完后，如何再次實(shí)現(xiàn)糾纏粒子的分發(fā)？當(dāng)然，如果事先存儲的量子態(tài)足以完成某次任務(wù)，并且不再進(jìn)行后續(xù)的應(yīng)用，這將不再是一個問題。但是，事實(shí)不會這么理想化，因此所有這些相關(guān)問題的解決都很難脫離經(jīng)典通信系統(tǒng)。由于糾纏粒子之間不受時空限制的相關(guān)性本身只是一個事實(shí)，其中并沒有信息量，因此糾纏粒子之間只有在進(jìn)行相應(yīng)的經(jīng)典信息交互之后，才能實(shí)現(xiàn)通信功能。依賴輔助信息，就意味著不可能超越經(jīng)典通信的極限。

在目前的量子通信模型下，量子通信在深水通信中并沒有明顯的技術(shù)優(yōu)勢，也很難突破經(jīng)典通信的水下通信距離和速率極限。當(dāng)然，這并不否定量子隱形傳態(tài)在某些特殊環(huán)境下進(jìn)行通信的優(yōu)越性。因此，探索如何在新型的通信模型下突破水下通信的極限，無論對理論創(chuàng)新還是對國防軍事通信安全等都具有非常重要的意義。

2.1.2 QKD的局限性

由于量子信號源、量子信道以及量子信號檢測設(shè)備等性能上的局限性，針對QKD系統(tǒng)及其應(yīng)用主要存在以下幾個方面的局限性。

（1）QKD系統(tǒng)的實(shí)際安全性需要不斷完善

目前，QKD相關(guān)的大多數(shù)研究成果都基于系統(tǒng)終端的可信性，但是QKD系統(tǒng)終端的可信性與傳統(tǒng)通信終端的可信性環(huán)境已完全不同。

當(dāng)前，QKD系統(tǒng)廣泛采用誘騙態(tài)QKD協(xié)議。誘騙態(tài)協(xié)議的核心思想是讓竊聽者無法區(qū)分進(jìn)入信道的光子來自信號態(tài)還是誘騙態(tài)。但是，發(fā)送端可以區(qū)分這兩種量子態(tài)，從而增加了發(fā)送端被植入后門或木馬的風(fēng)險，也給系統(tǒng)終端的安全性檢測帶來了更多挑戰(zhàn)[8]。比如，發(fā)送端的隱蔽木馬主動干擾信號態(tài)和誘騙態(tài)的波長，使二者之間存在一個微小的、在接收端不被過濾掉但是Eve可區(qū)分的波長差，那么就可以為Eve隱蔽竊聽開啟方便之門，而Bob卻很難發(fā)現(xiàn)這個事實(shí)。目前，QKD系統(tǒng)還無法完全排除被“旁路攻擊”的可能性。當(dāng)然，這并不是對QKD安全性的否定，而是說明QKD系統(tǒng)與傳統(tǒng)保密通信系統(tǒng)具有不同的安全和信任環(huán)境，而如何構(gòu)建可信賴的QKD系統(tǒng)還需要進(jìn)一步的探討。

（2）QKD系統(tǒng)的安全性測評體系需要創(chuàng)新

由于QKD系統(tǒng)的技術(shù)和成本費(fèi)用門檻較高，實(shí)際參與QKD系統(tǒng)安全性的分析也主要局限于一些研究機(jī)構(gòu)和大學(xué)。伴隨著相關(guān)技術(shù)的不斷發(fā)展，針對物理安全系統(tǒng)的攻防，將成為水下通信密碼攻防領(lǐng)域的新型“戰(zhàn)場”。從辯證的觀點(diǎn)來看，這種新型的攻防較量也將持續(xù)存在?！傲孔用艽a終結(jié)黑客”的“預(yù)言”也將僅僅是一個夢想。

由于很難確保QKD系統(tǒng)的關(guān)鍵元器件都合乎理論要求[9]，也很難確保QKD系統(tǒng)不被植入“后門”，更難評估潛在對手擁有什么等級的分析破譯技術(shù)手段和工具。因此，目前還很難對QKD系統(tǒng)的實(shí)際安全性進(jìn)行合理界定。這都將給QKD系統(tǒng)的可信性和安全性帶來一定的挑戰(zhàn)，同時對QKD系統(tǒng)的測評也提出了更高要求。

（3）QKD系統(tǒng)不可能解決所有信息安全問題

從QKD自身的技術(shù)特點(diǎn)分析，一方面由于量子態(tài)不能精確克隆，量子信號的遠(yuǎn)距離傳輸、路由以及QKD系統(tǒng)的自由組網(wǎng)都將存在一定的技術(shù)瓶頸，且量子信號的傳輸也不像經(jīng)典電磁波具有很大的靈活性。因此，QKD很難與傳統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行無縫對接，很難適應(yīng)無線互聯(lián)網(wǎng)、移動互聯(lián)網(wǎng)等，也很難在廣域網(wǎng)應(yīng)用中發(fā)揮關(guān)鍵作用。另一方面，QKD為點(diǎn)到點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸安全提供了一種新型的解決方案，但是與保密通信密切相關(guān)的身份識別和數(shù)據(jù)存儲保護(hù)等問題，并沒有在量子信息技術(shù)范疇內(nèi)得到有效解決。

因此，在短期內(nèi)，QKD技術(shù)并不能取代傳統(tǒng)的通信保密技術(shù)，而極有可能成為水下通信保密技術(shù)的重要補(bǔ)充。另外，QKD系統(tǒng)的抗干擾性能、通信距離和速率等，也將直接影響其應(yīng)用進(jìn)程。而不斷完善QKD系統(tǒng)的安全體系，通過較小范圍內(nèi)的實(shí)際應(yīng)用探索其應(yīng)用可行性，具有重要的實(shí)踐意義。

2.2 量子傳感

量子傳感器是基于量子效應(yīng)或量子檢測特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)的高精度新型傳感器。它利用量子信號對環(huán)境變化的極高敏感性，提高傳感器的靈敏度和測量精度。

光纖傳感器在精密測量和探測、精確導(dǎo)航和制導(dǎo)等領(lǐng)域發(fā)揮著十分重要的作用。通過對傳統(tǒng)光纖傳感器的性能分析發(fā)現(xiàn)，在傳統(tǒng)光纖傳感器的不敏感區(qū)域或盲區(qū)，對量子傳感系統(tǒng)來說卻是一個具有更高自由度的、極其敏感的測量區(qū)域，這正是設(shè)計量子光纖傳感器的良好基礎(chǔ)。

通過對光纖彎曲式強(qiáng)度調(diào)制型光纖傳感器進(jìn)行模擬發(fā)現(xiàn)，在光纖極度彎曲并緩慢松開的過程中，量子信號檢測器對通過彎曲光纖的光子數(shù)極其敏感，而傳統(tǒng)的光纖信號檢測儀器存在一定的測量盲區(qū)，即量子檢測器對信號的微弱變化更加敏感。因此，量子光纖傳感器具有較高的技術(shù)可行性和較好的應(yīng)用前景。然而，相關(guān)技術(shù)還未引起廣泛的關(guān)注，目前公開文獻(xiàn)中只有少量關(guān)于量子霍爾傳感器、量子生物傳感器和基于量子糾纏的量子傳感器研究的介紹材料。

研究表明，量子光纖水聽器的靈敏度比傳統(tǒng)光纖水聽器的靈敏度高2個數(shù)量級以上，在提高對敵艦艇的探測靈敏度和探測距離方面具有良好的軍事應(yīng)用前景。因此，開發(fā)具有更高探測精確度和靈敏度的量子光纖水聽器，對提高對敵艦艇的探測靈敏度和探測距離，為及時發(fā)現(xiàn)、打擊敵方艦艇，提高己方艦艇的生存力和戰(zhàn)斗力等具有舉足輕重的作用。與此同時，量子光纖水聽器也可以用于評估水下通信環(huán)境的安全性。

3 結(jié) 語

目前，歐盟、中國、日本等都在進(jìn)行星地量子通信研究。中科院于2011年底啟動了“量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星”戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)。該專項(xiàng)預(yù)計在2016年左右發(fā)射衛(wèi)星，將在國際上率先實(shí)現(xiàn)星地量子通信，并將促進(jìn)相關(guān)技術(shù)在水下通信中的應(yīng)用研究。

傳統(tǒng)高、精、尖技術(shù)發(fā)展瓶頸問題的解決也需要新型的技術(shù)途徑，量子傳感器技術(shù)在突破測量精確度、探測靈敏度和準(zhǔn)確度等方面將發(fā)揮重要作用。但是，提出新型的量子光纖水聽器的實(shí)現(xiàn)方法和途徑具有較大的難度，加大投入對于相關(guān)技術(shù)發(fā)展至關(guān)重要。

總之，近十年，量子通信和傳感技術(shù)發(fā)展迅速，方興未艾。量子通信和傳感在水下通信中的新型應(yīng)用途徑也值得深入發(fā)掘。毋庸置疑，量子通信和傳感在水下通信中的實(shí)際應(yīng)用將改變未來軍事對抗的格局。積極開展量子通信和傳感基礎(chǔ)和應(yīng)用探索研究，對于搶占軍事對抗制高點(diǎn)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.

[2] 范茂軍.傳感器技術(shù)——信息化武器裝備的神經(jīng)元[M].北京:國防工業(yè)出版社,2008. FAN Mao-jun.Sensor Technology-Information Weapon and Equipment of the Neuron[M].Beijing:National Defense Industry Press,2008.

[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.水下無線通信技術(shù)發(fā)展研究[J].通信技術(shù),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.

[7] 劉義銘,黃益盛,王運(yùn)兵等.量子通信的特色和局限性分析[J].信息安全與通信保密,2011,9(09):47-49. LIU Yi-ming,HUANG Yi-sheng,WANG Yun-bing,et al.Analysis on Features and Limits of Quantum[J]. Communication China Information Security,2011,9(09):47-49.

[8] 陳暉,徐兵杰.量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)中的隱蔽欺騙方法[J].中國電子科學(xué)院學(xué)報,2013,8(05):525-528. CHEN Hui,XU Bing-jie.Undiscovered Cheatings in Decoy-State Quantum Key Distribution System[J]. Journal of China Academy of Electronics and Information Technology,2013,8(05):525-528.

[9] 李宏偉,陳巍,黃靖正等.量子密碼安全性研究[J].中國科學(xué),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.

陶建軍（1977—），男，碩士，工程師，主要研究方向?yàn)楸Ｃ芡ㄐ?、信息安全?/p>

王詩琹（1984—），女，學(xué)士，工程師，主要研究方向?yàn)轫?xiàng)目管理、嵌入式設(shè)備硬件設(shè)計及測試；

陳祥東（1979—），男，學(xué)士，工程師，主要研究方向?yàn)楸Ｃ芡ㄐ?、信息安全?/p>

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

中國電子科技集團(tuán)公司技術(shù)創(chuàng)新基金項(xiàng)目“安全保密通信技術(shù)”（No.21020209）

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