量子通信技术及其在消防中的应用前景探讨

陈思帆

(公安消防部队高等专科学校，云南 昆明 650208)

量子通信技术及其在消防中的应用前景探讨

陈思帆

(公安消防部队高等专科学校，云南 昆明 650208)

介绍了量子通信技术的基本概念、原理、特点以及我国的发展现状，着重介绍了量子隐形传态。简要分析了当前在公安网和消防通信中存在的一些问题，并结合公安消防部队实际情况讨论量子通信技术在消防领域中的应用前景。

量子通信；量子隐形传态；公安网；消防通信

2016年8月16日凌晨，随着中国首颗量子科学实验卫星“墨子号”在酒泉发射升空，量子通信技术突破性的发展已成为社会各界热议的话题[1]。量子通信因其绝对安全性，无障碍通信，传输效率高等特点被各个领域所广泛关注。近年来，全世界各国都加大了对量子通信的研究投入，使量子通信技术发展迅速，产业化推广势在必行[2]。

现阶段我国公安消防部队主要以公安金盾网作为综合业务平台，随着业务的不断增长，公安网也存在着易受病毒感染和安全隐患等问题。同时在灭火作战时的通信方式也比较落后，主要利用手持台等，通过公安集群网、消防常规网进行无线通信[3]。在扑救一些特殊场所火灾，譬如地下超深度场所、超高层建筑等时常遇到通信受干扰、衰弱甚至屏蔽的现象，严重影响了现场指挥和作战，难以保障灭火战斗的需求[4]。因此，笔者通过对量子通信技术的原理及特点的分析，结合当前消防部队实际情况，对量子通信技术在消防领域中的应用前景进行探讨。

1 量子通信简介

1.1 量子通信的概念

量子通信是一门以量子力学为基础，结合信息学的新兴交叉学科。量子通信技术按照传输的是经典信息还是量子信息而分为两类：量子密钥传递和量子隐形传态。本文着重对量子隐形传态进行介绍，量子隐形传态主要基于量子纠缠态的理论，使用量子隐形传输的方式实现信息传递。研究表明具有纠缠态的两个粒子无论相距多远，只要一个发生变化，另外一个也会瞬间发生变化，基于这个理论实现量子通信的过程如下：事先构建一对具有纠缠态的粒子，将两个粒子分别放在通信双方，将具有未知量子态的粒子与发送方的粒子进行联合测量，则接收方的粒子瞬间发生变化，变化为某种状态。这个状态与发送方的粒子变化后的状态是对称的，然后将联合测量的信息通过经典信道传送给接收方，接收方根据接收到的信息对坍塌的粒子进行逆转变换，即可得到与发送方完全相同的未知量子态。

1.2 量子通信的特点

量子通信是以量子态作为载体来传递信息的，由于量子态自身所具有的一些特性，使得量子通信相比于其它经典通信方式有如下几种特点：

1.2.1 绝对安全性

量子通信技术具有绝对安全性源于量子力学的三个基本原理：不确定性原理，测量塌缩原理和不可克隆原定理。不确定性原理即不可能同时精确测量两个非对易的物理量；测量塌缩原理即传送途中对量子态进行测量会不可避免地使该量子态塌缩到某一个本征态上，说明对量子态一经检测就会产生不可还原的改变并且留下痕迹；不可克隆定理即一个未知的量子态无法被精确克隆。所以用量子态进行传送的信息不可能不为所知地被窃听、截获、复制，因此量子通信也被称为具有无条件安全性、被严格证明的安全性或绝对安全性。

1.2.2 无障碍通信

量子通信的主要理论依据就是量子纠缠态，即相互纠缠的两个粒子无论被分离多远，一个粒子状态的变化都会立即使得另一个粒子状态发生相应变化的。这说明作为信息载体的物理量子本身并没有被传送，被传送的仅仅是量子的态，因此量子隐形传态被视为可以穿越障碍的一种通信方式。

1.2.3 传输效率高

量子通信的传输效率高体现在两个方面：一是存储容量大，二是通信速率高。量子态的隐形传送速度远超传统的电流通信，光纤通信等通信技术的传送速度。由于量子态的可叠加性和非定域性，使量子通信存储容量也远超传统通信方式，相比于现在的光纤通信，研究表明同等条件下，量子通信所传输的信息量是光纤通信的几十倍。

1.3 国内发展概况

作为一种最新的通讯技术，量子通信技术的研究在我国起步较早，在基础理论和产业化方面均位居世界前列。早在2007年，中科大联合清华大学组成的研究小组在北京八达岭与河北怀来之间架设长达16公里的自由空间量子信道，取得了关键性的技术突破。并在2009年进行了世界上最远距离的量子隐形传态实验，证明了量子态可以穿越大气层进行隐形传送。2012年，中科大潘建伟院士的研究小组首次实现百公里量级的自由空间量子隐形传态和纠缠分发，为全世界首颗量子通讯卫星"墨子号"的发射奠定技术基础，也基本解决了量子通讯卫星的信息传输等问题。 2015年中科大潘建伟院士的研究小组首次实现多自由度量子体系的隐形传态，这是自1997年国际上首次实现单一自由度量子隐形传态以来，又一突破性进展。2016年8月随着中国首颗量子科学实验卫星"墨子号"在酒泉发射升空，量子通信技术研究领域再次取得突破性进展，量子通讯卫星的成功发射也标志着未来建立基于卫星中继的全球化量子通信网成为可能，也标志着量子隐形传态的产业化发展正式提上日程。

2 量子通信在消防中的应用

2．1 量子通信在公安网中的应用

目前，随着公安消防部队信息化建设的不断发展和完善，各个总队均已建立以公安金盾网为依托的综合业务网络平台。面对不断增长的计算机信息网络资源，公安网的问题也日益凸显，主要存在以下几方面问题：一是安全问题，在公安网进入到日常工作中之后，由于其固有的开放性，使内部涉密文件的失泄密风险逐渐增大。虽然消防部队也制定了很多规定，如不能一机两用等，但依然面临黑客入侵，软件漏洞，网络通讯等风险。二是病毒问题，公安网上的病毒主要是office宏病毒，尤其是在我们下载公安网上的文件时，很容易感染上这种病毒。office宏病毒破坏力极强，很有可能造成我们的信息泄露。三是传输速率问题，现今公安网基本依托光纤线路进行传输，当数个计算机同时访问时，会存在传输速率下降，网络变慢的问题，不能很好的进行办公操作。

由于量子通信具有绝对安全性，即使被窃听也会在出现不可还原的改变并留下痕迹，而被原有接受者发现。因此可以基于量子加密通信设备加上我们目前正在使用的光纤通信设备融合，建立新的公安金盾网，以此来提升运用公安网进行信息传输的保密性，避免了在网络通信途中泄密的风险，极大的提高了公安网的安全性。其次建立量子通信技术为基础的公安网能解决网络速率传输的问题，即利用量子通信的两个显著特点：信息容量大和通信速率高。采用量子通信技术使公安网成为一个超大的数据存储平台，可以存储各消防总队所上传的火灾案例或救援案例，在公安网上实现无障碍的经验交流；其次利用量子通信技术建立公安网，各消防总队可以依托公安网平台建立自己的办公平台，解决信息传输速率慢等问题，实现全面办公自动化。

2．2 量子通信在消防通信中的应用

依据我国《消防通信指挥系统设计规范》，现阶段我国消防部队所使用的无线通信网应由以下三级网组成：消防一级网即城市消防辖区覆盖网，主要用于保障城市消防通信指挥中心与移动消防指挥中心和辖区消防站固定电台、车载电台之间的通信联络；消防二级网即现场指挥网，主要用于保障火场及其他灾害事故现场范围内各级消防指挥人员之间的通信联络；消防三级网即灭火救援战斗网，适用于火场及其他灾害事故现场范围内各参战消防队内部的指挥员、战斗班长、驾驶员、战斗员之间的通信联络。

目前消防通信网在实际灭火救援即应急救援战斗中主要存在以下问题：一是单兵通信种类多，易产生干扰。现行的消防通信网中包含：集群网无线电台、数字化手机、3G数据传输系统通信技术，保证火场通信的畅通同时也由于多制式、多频率的会造成一定的干扰，导致通信混乱。二是网内通话电台过多，易造成堵塞。在大型火灾事故的救援现场，现场多个中队协同灭火作战时共用一个通信信道，网内电台数量激增，导致通话量出现瞬间高峰，从而出现通信堵塞和混乱。三是容易受环境的限制，造成通信受阻。近年来，高层建筑和地下火灾频发，并易导致大量人员伤亡，其中消防通信问题首当其冲。由于电磁波在空间中传播时信号会衰减，进而导致无法在高层建筑、地下超深度场所或超长度隧道等环境进行全覆盖。其它如在地震灾害救援中，由于无线基站、光纤电缆以及电力系统被损坏，基本意味着常规通信设备及方法已经完全丧失作用。

量子隐形传态是利用量子纠缠态进行隐形传送，与传播介质无关，这就使得量子通信不再受环境的阻碍。因此，首先利用量子通信技术建立消防通信网，可以在高层建筑、地下超深度场所或超长度隧道等无线信号易受干扰的环境中进行正常的消防通信。同时在地震等大型灾难的应急救援通信中，量子通信也可以在常规通信设备失效的时候发挥作用，结合卫星通信和短波通信组成消防通信网，为应急救援提供通信保障。其次利用量子通信技术进行灭火救援现场通信，可以避免现在单兵通信种类多，易产生干扰的问题；由于其传输效率高，还可以有效地解决通信堵塞的问题，并且为"三级同传"提供有力的保障，便于指挥中心观察到救援现场的情况，帮助现场指挥员进行正确科学的决策。最后由于其绝对安全性，在进行灭火救援指挥时不易被窃听，进而暴露军事实力，因此保证了我国消防部队在作战时的通信安全。

利用量子通信技术建立消防通信网，可以有效地解决现阶段消防通信中存在的瓶颈问题，并且也是我国消防通信理论和技术的重大创新。这对提高我国消防部队的灭火救援能力，建设一支“能打胜仗”的队伍具有极其重大而深远的意义。

3 结束语

量子通信技术是一种新兴的通信技术，在我国的基础性研究起步较早，并且近年来在量子通信技术的产业化方面也取得了一定的成就，位于国际领先行列。但目前开始产业化的是量子密钥分配，而非量子隐形传态，因此若能及时地开发由量子隐形传态为基础的新型通信装备，不仅能加强公安网的可靠性和稳定性，同时也可以在消防通信装备上实现新的突破，改变以往先进的技术装备依赖进口的局面。

[1] 徐启建,金 鑫,徐晓帆.量子通信技术发展现状及其应用前景分析[J].中国电子科学研究院学报,2009(5):491-497.

[2] 卢利锋.量子通信技术研究及其应用分析[J].光通信研究,2013(4):28-30.

[3] 郑金宝.灾害现场消防350M常规无线通信常见问题及解决对策[J].武警学院学报,2015(8):22-25.

[4] 王宗盛.消防灭火救援现场通信存在问题与对策[J].武警学院学报,2014(10):32-35.

(本文文献格式：陈思帆.量子通信技术及其在消防中的应用前景探讨[J].山东化工，2017，46(20)：94-95.)

QuantumCommunicationTechnologyandItsDiscussionontheApplicationinFireProtection

ChenSifan

(College of Pubilic Security Department Fire Service, Kunming 650208,China)

This paper first introduced the basic concept, principle, characteristic and state-of-the-art of the Quantum communication technology in China,emphasis on the Quantum teleportation. The brief analysis of the problems existing currently in the public security network and fire-fighting communication.And it discussed on the application in fire protection with the practical situation of Fire-Fighting Forces Army.

quantum communication；quantum teleportation；public security network；fire-fighting communication

2017-08-28

陈思帆(1990—)，吉林省吉林市人。

TU998

A

1008-021X(2017)20-0094-02