水下量子通信的研究
2008-04-12 00:00:00趙楠閆毅裴昌幸
現代電子技術 2008年7期
摘 要：現代社會中，軍事及民用通信都需要更高的保密性，量子通信量子特性保證了安全性，在通信領域受到越來越多的關注。海洋是一個很大的領域，水下通信是軍事指揮，作業及海下民事作業的關鍵通信手段。量子通信在水下通信的應用，無疑對于安全性有很大的提高，而安全性是軍事通信中最為重要的前提。水下量子通信的前提是要了解海水的特性，在此基礎上，將量子通信系統中的關鍵技術應用于水下通信。量子通信在各領域的應用將是未來通信的大趨勢。
關鍵詞：量子;海水特性;水下通信;通信安全
中圖分類號：TN9293文獻標識碼：A
文章編號：1004-373X(2008)07-008-03
Research about Quantum Correspondence in the Water
ZHAO Nan，YAN Yi，PEI Changxing
(State Key Lab of Integrated Services Networks，Xidian University，Xi′an，710071，China)
Abstract：In modern times，secure correspondence is needful in military and civil affairs.Because of secure characteristic，quantum correspondence is paid great attention.Ocean is large area，correspondence in the water is an important measure in military and civil task.Quantum correspondence used in the water is a high improvement for correspondence in the water.the key problem is realizing the characteristic of ocean.The key technique of quantum correspondence in the water will be set.Quantum correspondence will be the trend in the future.
Keywords：quantum;characteristic of ocean;correspondence in the water;security of correspondence
1 引 言
據不完全統計，地球有四分之三的面積被海水覆蓋，海洋是各國民用作業及軍事活動的重要場所，水下通信更是這些領域可以正常運作的必須保障。截止2000年，全球現役潛艇大約1 000艘。潛艇的這些優良特性主要得益于其超強的水下續航能力——由核反應堆提供長期水下續航的動力和艇員必須的氧氣，為保證其生存性和打擊突然性，值班核潛艇通常需要在遠離大陸的大洋水下200 m左右潛航。水下通信，包括海下指揮潛艇，以及潛艇間的保密通信就顯得格外重要。
研究表明，在400～580 nm波段，海水對光波傳播損耗較低，水質較好時損耗可低于005 dB/m，這被稱為海水的“藍綠窗口”，利用海水的底損耗“窗口”即可實現對潛水下光通信。對潛激光通信的成功對于水下量子通信的研究有極大的參考價值。
傳統的光通信已經可以實現水下通信，但是由于海水復雜的物理條件，傳播過程中的損耗很大。而主要應用于軍事作業的水下通信，需要高效，并且安全的信息傳輸。安全性無疑成為最為重要的條件。量子通信的天然安全性，滿足軍事通信的基本要求，量子通信的保密特性，具備經典通信所沒有的優勢，最大限度地符合軍事通信的需求。量子通信的隱形傳態無障性是水下傳輸的保證。相比于傳統水下經典通信，抗毀性強，安全性高，并且有很高的效率。這里，提出水下量子通信實現的條件，并給出一些的模型參數。
2 量子通信的概念
量子密碼是利用微觀粒子的量子屬性實現對信息的保護。一個最基本的量子屬性是不確定性原理，這是量子物理學的基本原理，該原理表明兩個具有互補性的物理量不能同時精確測量。量子不確定性原理的一個重要推論是未知量子的不可克隆定理。這兩個性質使得量子密碼具有無條件安全性。這也就是說，在量子通信的過程中，如果量子信息遭到測算或者破譯，那么量子態將隨之改變，故信息發送方可以此判斷密鑰是否曾被截獲，從而保證了量子信息通信的安全性。
BB84協議是量子通信的一個基本通信協議，簡要地給出通信的模型來說明通信過程。
圖1 BB84通信過程示意圖
圖1中，Alice通過量子信道發送隨機選擇的四種量子態給Bob，接收端Bob隨機選擇測量基對接受的量子態進行測量，再通過經典信道將他的測量基告訴Alice，由Alice確定后將正確的測量基告知Bob，這樣完成信息的傳輸。量子通信方式經證明是無條件安全的。
由于光子制備方便，目前的密鑰分發多采用光子進行。目前實現的有單光子以及光子糾纏對等。這里主要研究單光子作為量子通信的信息載體。
3 海水信道的特性
3.1 海水的透射光譜特性
可見光波段，海水有較好的透射特性。海水對光波的衰減主要是由海水吸收和懸浮微粒散射引起，因此其衰減系數與光波波長﹑海水的濁度﹑生物含量﹑溫度及深度有關，由不同海水的衰減可以確定不同的發送光，以保證量子的最大效率。
3.2 海水對光子傳播的影響
光束在海水中傳播遭受損傷的機理與大氣中傳播基本相同，也有所謂吸收`散射﹑擾動﹑熱暈等。此外，對潛通信時光束往往需要從空氣進入海水，因此還有光束在水空界面處受到損傷。
海水的吸收系數隨深度變化，通常吸收系數隨海水的深度增加而減少。
3.2.1 海水散射
海水的散射包括水本身的瑞利散射和海水中懸浮粒子引起的米氏散射及透明物質折射所引起的散射。對于量子通信來說，海水散射可以使光能量得到衰減，而衰減與傳播距離的比例關系可以應用到單光子的產生。
3.2.2 水空界面反射與散射
由于海水與空氣折射率不同，因此水空界面存在反射以及散射。
3.2.3 海水擾動
海水因為溫度、鹽度的不同而擁有不同的折射率。對潛通信中，光束在海水中傳播距離一般在10～300 m，單光子的海水傳播距離要遠小于激光束。海水中量子通信的中距離以及遠距離都需要中繼器保證。
3.2.4 熱暈效應
由于海水對光能量的吸收較大，并對光束有強烈的散射，可造成大的損耗，對光束的傳播有致命的影響。
4 水下量子通信的關鍵技術
4.1 單光子信號的產生
量子通信系統的實現依賴于具體的量子比特及對其的操作。而量子信號是量子信息中的基本概念，是量子信息和經典信息的載體。這里把單光子作為實現通信的量子信號。光子是基本粒子，不具有內部結構，因此單光子具有不可分離性。目前，制備單光子的技術主要有:光子轉柵技術，自發輻射參量下轉換技術等。這些技術制備出的單光子有一個很大的問題，就是傳輸距離短，因為其在信道中損耗較大。在水下，由于其復雜的物理特性，使得本身能量較小的單光子更加無法長距離傳輸。而且，單光子在復雜外界環境中，容易受到影響出錯，這勢必會使傳輸效率降低很多。
為了克服單光子信號的技術缺陷，可以利用具有強相干性與高亮度的激光來增強光子信號強度。激光中的每個脈沖都包含了大量的光子，但這樣的激光并不具備量子特性，需要植被接近單光子性能的量子信號，最簡單的辦法是將激光衰減，使其變的非常微弱。理論上，我們要求單光子脈沖的平均光子數滿足:N≤01。
目前實現的方法是:讓一束弱激光脈沖通過一個合適的衰減器可產生微弱激光脈沖量子信號。
需要說明的是，在實際中，由于弱相干光源僅僅是一個近似的單光子源，無法保證通信的絕對保密性。在實際的通信的過程中，我們可以考慮量子糾纏對，在兩點間形成量子糾纏，以保證更高的安全性。并且，在量子糾纏對的通信過程中，還可以用中繼器保證更遠的傳輸距離。本文只對單光子做研究，以便于獲得實驗數據。
4.2 海水色散條件下的發送策略
我們由光子在水中傳輸的時延差，來確定一次成功的發送。光子在水中傳輸時，由于受到海水多徑色散的影響，一部分光子會延時到達接收端，為了保證量子通信的保密性，在光子延時達到一定時間時，我們認為發送失敗。
光束在穿過海水的過程中，粒子對光束的影響作用與粒子大小(相對于波長的斷面尺寸)和粒子密度﹙粒子的體積濃度﹚關系很大。海水粒子引起了光子脈沖色散。
由海水散射引起的激光脈沖傳輸延時差為:
ΔT=TS－T0
=znc[HT0，10.]{[HT10.]827ω0τ∫π0γ20P(γ0)dγ0 #8226;
1+94ω0τ∫π0γ20P(γ0)dγ0[JB))]3/2－1－1[HT0，10.]}[HT10.]
(1)
式中c為光速，z為海水深度，n為海水折射率，ω0= b/C為海水單程散射反照率，C為海水體積衰減系數，b為海水體積散射系數，1/b即為海水的標準散射長度，τ＝b×z是海水中深度z范圍內所包含的標準散射長度的個數，也就是光子與海水中粒子相互作用的次數，進而可以用ΔT描述在深度z范圍內光子被粒子散射的次數，γ0是光子與粒子單次碰撞時的散射角，P(γ0)為粒子標量散射位相函數，他隨水質的不同而具有不同的形式，實際應用中，一般都是通過實驗測定各個散射方向上的散射光強度，然后擬合成經驗公式，對于大粒子的散射情況，有如下經驗公式：
P(γ0)=2bηγ0exp(－ηγ0)，η10
(2)
從式(1)中可以看出，脈沖傳輸距離z，海水反照率ω0，海水衰減系數C，以及光子散射角γ0直接影響著脈沖傳輸延時差ΔT。圖2中的曲線族描述了不同的海水狀況對激光脈沖延時差的影響。
圖2 海水狀況與激光脈沖延遲的關系
圖2(a)中，海水反照率ω0和光子散射角γ0的均值一定，ω0＝075，
圖2(b)中，海水衰減系數C和光子散射角γ0的均值一定，C＝03 m，
根據時延差和海水關系，我們可以通過實驗來確定不同的發送，接收策略，以保證量子信息傳輸的安全性。
4.3 多點發送，大透鏡收發信號
單光子信號經過海水傳輸后，受到了海水的衰減A(L)、輻射率分布引起的衰減(R，0)、激光發射器和接收器孔徑面積比引起的衰減，因此得到激光接收機探測器接受到的單脈沖能量為:
ER=EPAL2A(L)f(θR，φ0)
(3)
式中EP為發射器光學系統輸出的單脈沖能量(單位為J)，S為接收處光斑面積，A為接收器空經面積。
能量的損耗使得自身能量很弱的單光子脈沖的能量受到極大影響。為了保證接收信號的完整性，在發射和接收端都應增大透鏡的半徑。
4.4 大半徑收發光子透鏡
光子脈沖在海水中傳播時除了沿傳播方向的衰減外，還有在垂直于傳播方向上的橫向擴展。光束受到海水強散射作用，其向上的輻射能量將分布在一個越來越大的圓形(或橢圓形)光斑內。
擴散的程度與水質、激光發射器在水中的深度和水下發射角等因素密切相關。設輻射率分布f(θR，φ0，δ)是視場接收角、方位角和發射器深度的函數，可用數值積分法求出:
f(θR，φ0，δ)=∫2π0dθ∫θR0N(θR，φ0，δ)sin φdφ ∫2π0dθ∫π0N(θR，φ0，δ)sin φdφ
(4)
式中θR為接收視場角，φ0為信號輻照度到達零時的角度，δ為接收器光軸和入射光軸之間的偏斜角。
由此可以知道，如果在發送端多點發送信號，可以改善隨機散射的影響，以保證信號的傳輸距離。而發送點的間隔和范圍，可以由收發端散射角的關系得出。
4.5 由海水衰減系數確定的發送策略
光束在海水中傳輸，如果傳輸距離較短，與在大氣中傳輸一樣，衰減規律也服從指數規律:
A(L)=exp(－σL)σ=αm+αa+βm+βa+e
(5)
式中αm為海水分子吸收系數，αa為海水中懸浮微粒的吸收系數，βm為海水分子散射系數或瑞利散射系數，βa海水中懸浮微粒的散射系數或米氏散射系數，e海水中光擾動的系數。L為光子傳播距離。
而對于量子信號，光子的衰減又可以寫為:
A(dB)=10lg[JB([]L2λ2D2TD2R1TT(1－LP)TR[JB)]]+
10lg(1+D2Tr20)+AatmL×10－3
(6)
海水的衰減服從指數分布，可以由圖象衰減曲線來確定不同深度的傳播條件，具體確定發送策略。
4.6 糾纏光子對
單光子的傳輸由于能量微弱，并不適合長距離傳輸。隨著量子通信技術中，糾纏光子對制備的成功，可以應用到水下量子通信中，這樣可以通過在兩點形成糾纏來實現信息的傳輸，中繼器可以彌補傳輸距離的限制，實現水下長距離的通信。
5 結 語
水下量子通信對于提高信息傳輸的準確性，保證信息安全性具有很高的價值。量子通信技術已經取得了一些成果，在陸地通信中已經可以實現百余公里的信息傳輸。隨著量子中繼設備的不斷研制，量子通信的傳輸距離將有更大的突破，而水下的量子通信技術也會隨之得到發展。水下量子通信技術的研究無疑對于國家的軍事發展具有舉足輕重的價值。
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注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內容請以PDF格式閱讀原文。
