量子通信在军事通信领域的应用前景研究

李冲霄

摘要：针对现有军事通信手段在安全性、隐蔽性、抗干扰性和时效性等方面存在的问题，在研究量子通信特点和分析量子通信发展现状的基础上，就量子通信在军事通信领域安全通信、隐蔽通信、超远距离通信和水下潜艇通信等方面的应用前景进行了分析研究。

关键词：量子通信；军事通信；保密通信

中图分类号：TN73文献标志码：A文章编号：1008-1739（2023）01-50-4

0引言

面对全球军事信息化建设热潮，我军正在经历由机械化向信息化的转型发展。在军事通信领域，特别是在军事通信的安全性、隐蔽性、抗干扰性和时效性等方面，与美军相比还存在一定的差距。通信信号被干扰、通信网络被攻击、通信内容被窃取、通信时效性差和通信隐蔽性不强等问题，严重制约着我军军事通信的发展。量子通信是一种面向未来的全新的安全通信技术，自诞生之日起就被证明是绝对安全的，因此将量子通信技术应用到军事通信领域，可以为军队提供一种安全保密的通信手段[1]。

1量子通信的概念和特点

量子通信是基于量子力学的基本原理，进行量子纠错编码、存储和信息传输的一种新型通信方式。由于量子具有叠加态、纠缠态和不可克隆等特性，使量子通信在时效性、隐蔽性、非局域性、安全性和抗干扰等方面具有独特的优势[2]。

1.1高效性

在通信前制备2个相互纠缠的量子，然后根据需要将其分开。无论距离有多远，相互纠缠的2个量子，只要其中一个发生变化，另一个也会同时做出相应改变，而不受空间距离约束。爱因斯坦将这一神奇的现象称为一种鬼魅的远距作用。基于量子纠缠原理进行通信时，不会产生时延。另外，量子的叠加态，使得一个量子比特既可以表示0，同时也可以表示1。5个量子比特就可以同时表示32个数字0～31，10个量子比特就可以同时表示1 024个数字0～1 023。一次量子通信所传输的信息就相当于多次经典通信传输的信息之和。所以，量子通信具有低时延、高效率的特性[3-5]。

1.2隐蔽性

量子通信不向外辐射电磁波。对于窃听者而言，量子通信是在神不知鬼不觉、完全电磁静默的情况下进行，所以窃听者无法通过电磁波对通信双方进行物理定位。即便窃听者通过某种方式截获到了量子信息，由于量子比特的叠加态特性，窃听者也无法获取准确的通信内容[6]。因而量子通信具有极强的隐蔽性。

1.3非局域性

相互纠缠的量子对（例如量子A与量子B）之间进行量子态的传递，与物理传播介质无关，与相互间的距离无关。在通信发送方对相互纠缠的量子对中的量子A施加测量等操作时，身处千里之外甚至更远的量子B的量子态也会发生相应变化。量子A与量子B之间的这种纠缠作用，具有距离无关的特性。

1.4安全性

基于量子纠缠效应进行信息传输的量子通信，是人类目前已知的可以被数学证明的绝对安全的通信手段。首先，原理上安全，量子通信具备一次一密的特性，从原理上保证了通信的安全性[7]；其次，信道上安全，量子通信不向外辐射电磁波，因而窃听者无法截获量子通信信号；再次，事后检查安全，在经典的基于单光子的量子通信中，通信双方通过量子叠加态和纠缠态特性，传输信息的加解密密钥[8]。如果第三方通过测量方式进行窃听，将导致量子状态被改变，很容易被通信双方所发现。

1.5抗干扰

相比传统的通信方式，量子通信具有很强的抗干扰性。首先，量子通信不向外辐射电磁波，因此干扰方无法对其进行无线电定位，无法确定通信双方物理位置，不便于开展电子干扰[9]；其次，量子隐形传态技术不依赖于任何物理传播介质，不受通信双方之间地形遮挡等因素的影响。

2量子通信的类型和发展现状

目前，常用的量子通信類型主要有2类：一种是量子密钥分发，另一种是量子隐形传态。量子密钥分发主要用于通信密钥的协商和分发，其采用一次一密的方式，保障经典通信的点对点之间安全通信。量子密钥分发在数学上被证明是绝对安全的，其通信模型如图1所示。量子隐形传态基于量子纠缠和联合测量，通信双方的量子状态不受相互之间距离的限制，能同时做出改变，实现量子态的瞬间转移，其通信模型如图2所示。

量子通信理论自提出之日起，就开启了飞速发展之旅。目前，典型的量子通信协议有BB84，B92，E91及其改进型协议等。人类历史上第一次量子密钥分发发生在1989年的美国，第一次量子隐形传态发生在1997年的奥地利。我国在量子通信领域起步较晚，但是发展迅速。比较有代表性的项目是“墨子号”和“京沪干线”。“墨子号”量子科学实验卫星于2011年12月立项，2016年8月在酒泉卫星中心发射升空，标志着我国在世界范围内首次实现卫星和地面间的量子通信，旨在建立卫星与地面远距离量子科学实验平台，在其上完成空间大尺度量子科学实验。2017年8月，世界范围内首次实现千千米级的量子双向通信。“京沪干线”是一条连接北京、济南、合肥和上海，全长2 000多千米的世界最长量子通信保密干线，通过北京节点实现了与墨子号卫星的连接。项目于2013年7月立项，2017年9月正式开通。全线路密钥率大于 20 kbps，能满足上万名用户对密钥分发业务的需求。标志着我国在城域光纤量子通信方面取得国际领先地位。2018年1月，我国同奥地利合作，构建了全球首个天地一体化广域量子通信网络雏形，实现了北京、济南、合肥、上海、乌鲁木齐和奥地利科学院等6地之间7 600 km的洲际量子密钥分发和加密视频会议。2020年5月，利用墨子号卫星，实现了安全时间传递实验验证。2020年6月，利用墨子号卫星，首次实现基于量子纠缠的千千米级量子密钥分发。2022年5月，利用墨子号卫星，首次实现了相距1 200 km的2个地面站之间的量子隐形传态[10-13]。

3军事量子通信的应用前景

量子通信理论一经提出，就被世界各国认定在军事通信领域有广阔的应用前景。信息通信技术是信息化战争制胜的主导技术，任何信息处理都离不开通信。量子通信作为一种面向未来的新型通信技术，有着经典通信无法比拟的优势，必将极大地推动军事通信技术向前发展。

3.1军事密钥分发

1984年，本纳特提出人类历史上第一个量子密钥分发协议———BB84协议，标志着量子密钥分发技术的起源[14]。量子密钥分发技术是利用量子的叠加态和量子的不确定性，来保障传输密钥的安全性的。即使通信内容被截获，由于量子的不确定性，也无法被破解，因此能够有效保证通信内容的安全性。军事密钥分发是军事通信网络开通的第一步。将量子通信密钥分发技术应用到军事通信密钥的分发当中，可以有效解决军事通信中的密钥安全性问题。

3.2军事安全通信

军事通信对安全性有着极高的要求，量子通信将彻底改变传统的军事通信方式。量子作为最小的、不可分割的能量单位，使得量子通信具有测不准、不可克隆和一次一密的特点[15]。量子的不可克隆特点，可以有效监测军事通信过程是否被窃听；采用量子密钥生成技术，能够采用完全随机加密的方式，保证军事通信具有一次一密的特点，进而使得军事通信内容无法破解，可以从根本上保证军事通信的安全性。

3.3军事隐蔽通信

传统的军事通信手段，特别是无线通信手段主要基于向外辐射电磁波的形式进行通信。而电磁波的空间开放性，导致军事通信信息被暴露在地方面前，很容易被窃听。相比而言，量子纠缠不依赖于任何物理传播介质，不向外辐射电磁波。因此，敌方无法截获军事量子通信内容。所以，量子通信可以为军事通信提供较强的隐蔽性。

3.4超远距离通信

目前，军事通信领域常用的超视距通信手段主要有卫星、短波、光缆和散射等。这些手段都存在一定的缺陷，卫星通信时延大，短波通信可靠性差，光缆通信依赖预先布设的固定基础设施不适合临机地域使用，散射通信手段通信距离相对较近。而基于量子纠缠的量子通信具有非局域性特点[16]，可以为军事通信双方提供一种低时延、高可靠的超远距离通信手段。

3.5水下潜艇通信

潜艇主要以隐蔽设伏方式使用。当潜艇位于水下时，只能被动接收信息，而无法主动发送任何信息。潜艇发送信息时，通常上浮，采用水面浮标的方式与岸基节点进行通信，很容易暴露自身目标。研究发现，同等条件下，量子通信所需的信噪比比其他手段低30～40 dB，可以有效克服中长波通信系统在海洋通信中存在的系统庞大、抗毁性差的问题[17]，为潜艇水下通信提供了新的可能。潜艇可以在水下通过量子通信技术，与岸基指挥所等节点进行通信，能够有效提高潜艇的隐蔽性。这对于潜艇水下通信意义重大，特别是对隐藏于大洋深处、担负二次核反击任务的战略核潜艇来说尤为重要。

3.6军事量子通信网络

军事通信网络对安全保密要求较高，传统基于保密机进行加密通信的方式容易被破解。随着量子通信技术不断地迈向实用化，基于量子通信技术构建“天基卫星+地基光缆”架构的天空地一体化的军事量子通信网络，则可以为作战区域内各级指挥所、作战分队、武器平台和单兵提供一种理论上可以绝对安全保密的通信方式，保障指挥控制、侦察情报、火力打击和综合保障等各类军事信息的安全传输。

4结束语

量子通信技术相比传统通信技术，在军事通信的安全性、隐蔽性等方面具有明显的优势，为军事通信提供一种安全、隐蔽、超视距的通信手段。但是，将量子通信应用到军事通信领域的相关工程应用技术研究较少，体系成熟度不高。如果要实现工程落地，还应加强相关工程技术研究攻关，探索工程化应用模式，解决量子通信设备与现有通信设备之间的集成融合，构建安全保密的军事量子通信网络。

参考文献

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