量子通信技術在航天系統中的應用研究

楊 勇，石玲玲，賈學先，嚴晞雋，吳 強

（北京宇航系統工程研究所，北京，100076）

量子通信技術在航天系統中的應用研究

楊 勇，石玲玲，賈學先，嚴晞雋，吳 強

（北京宇航系統工程研究所，北京，100076）

較傳統保密技術而言，量子通信技術在信息安全方面具有更大的優勢，在軍事通信領域具有廣闊的應用前景。在簡要介紹量子通信原理、研究進展的基礎上，對量子通信技術在航天系統中的應用進行了初步設想，為推動量子通信技術在航天領域的應用提供參考。

量子通信；信息安全；航天系統；密鑰分發

0 引 言

未來戰爭是信息化戰爭，圍繞信息及信息系統的爭奪和攻擊已成為信息化戰場中獲取戰場主動權，達成敵方“戰略性癱瘓”的關鍵。由于自身的敏感性和脆弱性，信息化條件下的軍事信息系統所面臨的信息安全保密形勢更加嚴峻，威脅種類更加多樣，迫切需要推進安全保密技術在航天軍事領域的深化應用和快速發展。

傳統信息對抗中的信息安全保密手段較多采用加、解密技術，隨著計算機密碼破譯能力的不斷提升，傳統加密通信在軍事網絡應用中面臨被監聽、破譯、偽造、篡改等威脅。量子通信是一種新型的、革命性的安全保密技術，從原理上保證了信息傳輸的絕對安全。因此，較傳統保密技術而言，量子通信技術在信息安全方面更有優勢，在軍事、民用安全等領域具有廣闊的應用前景。

1 量子通信原理

量子通信技術充分利用了量子力學的特點，以不可克隆原理、海森堡測不準原理等為基礎，在原理上保證了非授權方無法復制和竊聽量子信道中傳輸的信息，進而確保信息傳輸的安全[1]。

量子通信技術包含量子密鑰分發技術和量子隱形傳態技術。

1.1 量子密鑰分發技術

量子密鑰分發技術利用經典信道和量子信道相結合的形式進行經典信息的安全傳輸。其中，經典信道在密鑰協商時用于傳輸校驗信息（主要包括基矢比對信息），在密鑰協商后則用于加密信息的傳輸；量子信道則用于傳輸處于量子態的微觀粒子（如單光子），完成量子密鑰的安全協商生成與安全分發。

假設量子信道中信息載體為單光子，量子密鑰分發技術的安全性原理如下：a）單個光子在物理上不可再分，竊聽者無法通過竊取少于1個光子并測量其狀態的方法獲得密鑰信息；b）假設竊聽者可以在截取單光子后測量其狀態，然后根據測量結果發送一個新光子給接收方，但根據海森堡測不準原理，該過程將引起光子狀態的擾動，發送方和接收方通過基矢比對信息可檢測到竊聽者對光子的測量，從而確保通信雙方密鑰協商生成的安全性；c）假設竊聽者試圖在截取單光子后，通過復制單光子量子態以竊取信息，但不可克隆原理保證了未知的量子態不能被精確復制；d）量子密鑰分發協議（如BB84協議）保證了密鑰分發的安全性，不需要第三方進行密鑰的傳送。

基于量子密鑰分發技術的安全保密通信模式如 圖1所示。

圖1 基于量子密鑰分發技術的安全保密通信示意

由于基于量子密鑰分發技術的保密通信方式在實際工程中易于實現，并且可以保證信息傳輸的絕對安全性，因此，基于量子密鑰分發技術的量子通信技術已逐步走向實用化，相關產品在金融、政府等領域得到了較為廣泛的應用。

1.2 量子隱形傳態技術

量子隱形傳態技術同樣需要經典信道與量子信道相結合才能完成信息的安全傳輸，但與量子密鑰分發技術不同，量子隱形傳態技術是利用量子糾纏對（簡稱EPR對）的非定域特性完成量子態的傳輸，從而完成信息的安全傳輸。圖2為量子隱形傳態示意。在圖2中，發送端粒子A處于未知量子態，需傳送到接收端；粒子B1和粒子B2為EPR對，它們之間任一方粒子量子態的變化會導致另一方粒子量子態的變化，并且這種關聯與空間距離無關。因此，在發送端對粒子A和粒子B1的進行Bell基聯合測量時，接收端粒子B2將會坍塌到相應的量子態，同時接收端通過經典信道接收發送端的Bell基測量結果，結合粒子B2的量子態，通過幺正變換獲得發送端的正確信息。由此可見，在量子隱形傳態技術中，只有共享EPR對的雙方才能正確通信，并且以量子態為信息傳輸載體，微觀粒子并不直接傳輸到接收端。同時，經典信道只用于傳輸Bell基測量信息，雙方之間的有效通信信息經量子信道傳輸，實現了量子信息的直接傳輸。

圖2 量子隱形傳態示意（B1，B2）

1.3 小 結

通過上述分析可知，從信息傳輸機制上來說，量子密鑰分發技術與量子隱形傳態技術的主要區別在于：量子密鑰分發技術的信息載體為微觀粒子本身，而量子隱形傳態技術的信息載體則為量子態。表1為量子密鑰分發技術與量子隱形傳態的技術特點分析。

表1 量子密鑰分發技術與量子隱形傳態技術特點分析

總體來說，量子密鑰分發和量子隱形傳態技術均可保證信息傳輸的絕對安全，在軍事通信領域具有廣闊的應用前景，并且量子密鑰分發技術正逐步走向實用化，未來將得到大規模應用。而量子隱形傳態技術尚處于預研階段，很多關鍵技術仍有待進一步突破，距離實用化還有較長一段距離。

2 研究進展

Bennett等在1984年提出了BB84協議，并通過實驗驗證了該方法的可行性，開始進行量子保密通信技術研究。1993年，Bennett等提出了基于量子隱形傳態技術的量子保密通信技術方案。經過30多年的發展，量子通信技術在理論、實驗及工程應用方面不斷取得突破，是當前國際上量子物理和信息科學的研究熱點。

目前，量子通信技術在通信協議方面以BB84協議、E91協議及B92協議為主，在此基礎上，研究人員提出了差分相移協議、六態協議等量子密鑰分發協議[2]。除通信協議的研究與發展外，量子通信技術在實驗和實用化方面也得到快速發展。

1997年，奧地利科學家首次在實驗室實現量子隱形傳態，證實了基于隱形傳態的安全保密通信技術的可行性[3]；2001年，瑞士一家公司推出基于量子密鑰分發技術的商用保密通信系統[4]；2002年，德國和英國科學家以自由空間為傳輸介質，實現了長達23 km的量子密鑰分發記錄，證實了通過近地衛星進行量子密鑰分發的可行性[5]。

2004年，美國一家商用公司在馬薩諸塞州建立了全球首個基于量子密鑰分發技術的保密通信網絡，該網絡擁有6個節點，點對點傳輸距離約為10 km，以光纖為傳輸介質，能夠與現有Internet技術兼容，具備良好的實用性與可擴展性[6]。

2005年，中國科學技術大學潘建偉等以自由空間為傳輸介質，實現了量子糾纏分發與量子密鑰生成，通信距離長達13 km，證實了糾纏光在通過大氣層后仍能保持良好的糾纏特性[7]。

2006年，美國、中國及歐洲的研究小組各自獨立實現了黃元英等提出的基于誘騙態的量子密鑰分發方案，實驗通信距離超過100 km[8]。

2009年，中國科學技術大學和清華大學聯合實現了自由空間的量子態隱形傳輸，通信距離達16 km[9]。

2010年，日本在東京建成名為Tokyo QKD Network的城域量子保密通信網絡，該網絡共有6個節點，基于量子密鑰分發技術[10]。

2012年，中國科學技術大學搭建了基于量子密鑰分發技術的城域量子保密通信網絡，該網絡共46個節點；以及面向金融行業的量子保密通信網絡[11]。

此外，據公開報道，中國在2016年8月16日發射了第1顆量子科學實驗衛星。量子科學實驗衛星采用量子密鑰分發技術，與地面站共同完成量子密鑰協商生成及密鑰安全分發。該衛星的研制，標志著中國已經掌握了星地遠距離量子安全保密通信的相關核心技術，為中國的量子保密通信網絡建設提供了技術基礎。

目前，歐洲、美國、日本及中國等國家和地區已開展量子通信技術理論及其工程實踐化的研究，并得到政府的大力支持，希望以此推動量子通信技術的實用化進程，掌握核心技術以保障其在未來信息對抗中處于有利位置。中國主要以中國科學技術大學為主開展量子通信技術研究，相關研究成果已處世界前列，為量子通信技術在中國大規模應用奠定了扎實的技術基礎。

3 應用模型

量子通信技術主要用于確保信息傳輸的安全性，在此，以點對點通信為例對量子密鑰分發技術與量子隱形傳態技術的應用模式進行簡要介紹。

3.1 基于對稱加密機制的量子密鑰分發系統

量子密鑰分發技術能夠確保密鑰安全分發，從根本上解決對稱加密機制中密鑰安全分發的問題；此外，量子密鑰分發技術能夠檢測是否被第三方竊聽，可以有效防止信息泄露，可據此設計基于對稱加密機制的量子密鑰分發系統，確保信息的安全傳輸。

以點對點通信為例，基于對稱加密機制的量子密鑰分發系統如圖3所示。系統包含量子信道和經典信道，加密密鑰利用量子信道進行傳遞，加密數據則利用經典的信息鏈路進行傳輸。量子密鑰分發系統包括：量子信號處理模塊，用于對量子信號的處理；經典信號處理模塊，用于對經典信號的處理。2個模塊之間的交互信息分別為“加密請求”和“密鑰”。信息交互流程如下：

a）當收發雙方需要進行保密通信時，經典信號處理模塊發起“加密請求”，在請求允許后，通過量子信道，收發雙方量子信號處理模塊采用相應的協議（如BB84協議）進行密鑰協商生成本次通信的“密鑰庫”（即對稱加密機制中的密碼本），并釋放經典信道；

b）經典信號處理模塊獲得密鑰后，采用基于對稱加密機制的算法完成數據的加密并通過經典信道發送出去，接收端采用相應的“密鑰”進行解密即可得到發送端的信息；

c）在信息傳輸速率與量子密鑰生成速率（或密鑰庫密鑰數量充足）匹配的條件下，可實現“一次一密”的安全保密通信。

圖3 基于對稱加密機制的量子密鑰分發系統的通信示意

3.2 基于量子隱形傳態技術的點對點通信系統

量子隱形傳態技術利用量子糾纏對的非定域關聯特性實現量子信息的傳輸，并且只有擁有量子糾纏對的雙方才能進行正確通信，在保證信息傳輸絕對安全的前提下，提高了通信能力。以EPR對為例，基于量子隱形傳態技術的點對點通信系統示意如圖4所示。

圖4 基于量子隱形傳態技術的點對點通信系統示意

基于量子隱形傳態技術的系統終端仍包括量子信號處理模塊與經典信號處理模塊，但與量子密鑰分發技術不同，在該系統中，當終端處于發送狀態時，量子信號處理模塊主要用于完成粒子間的Bell基測量，而量子信息在測量的同時通過量子糾纏信道傳輸至接收端；當終端處于接收狀態時，量子信號處理模塊根據接收到的Bell基測量結果進行幺正變換，實現信息的正確接收；經典信號處理模塊與經典信道則分別用于處理和傳輸Bell基測量結果。

根據超密編碼理論，量子隱形傳態技術可以實現：傳輸1 qbit就可完成2 bit的經典信息傳輸[12]。因此，量子隱形傳態技術可大幅提高通信速率以及容量，滿足信息化體系作戰大容量通信的應用需求。

利用隱形傳態技術進行信息傳遞的通信方式，能夠檢測是否被竊聽，且隱蔽性好、信息效率高，將其應用于導彈武器系統、指揮信息系統，構建作戰體系中各級指揮系統之間及指揮系統與導彈武器系統之間的量子通信系統，可保證信息的絕對安全傳輸，提高核安控體系的通信安全與信息保密能力、核安控系統的通信速率與容量、導彈武器系統及指揮信息系統的生存能力。

3.3 量子通信技術在航天系統應用中的關鍵技術

根據前量子通信技術特點，量子通信技術在航天系統中應用的關鍵技術主要包括：

a）量子安全保密系統效能評估技術。

量子安全保密系統效能評估技術實現對量子安全保密系統效能的準確評估，并與傳統安全保密系統進行對比，為系統論證、設計與優化提供支撐，也是檢驗量子安全保密系統保障信息安全傳輸能力的重要手段。

b）量子安全保密網絡設計技術。

量子通信技術在實際應用中需要經典信道與量子信道配合共同完成量子密鑰生成與安全分發，這將改變現有航天系統網絡架構，并在一定程度上增加了網絡的復雜性。因此，在實際應用中需根據現有航天系統網絡架構，結合量子通信技術的特點，開展通信網絡協議、架構等設計，在盡可能減少現有網絡復雜性的條件下，充分發揮量子通信技術的優勢，確保信息傳輸的安全性。

c）自由空間遠距離量子通信技術。

在航天系統中，需構建天地、空地等長距離無線鏈路，實現天基、空基以及地基網絡之間信息的安全交互。因此，自由空間遠距離量子通信技術是實現航天系統中各信息節點間信息安全有效傳輸的基礎，也是量子通信技術走向大規模應用的劃時代技術。

d）高碼率量子密鑰生成技術。

量子密鑰生成速率是衡量量子安全保密系統性能的重要指標，是實現“一次一密”大容量安全保密通信的基礎。受限于元器件及量子密鑰生成協議等因素，在工程應用中量子密鑰生成速率不大于105bit/s。因此，提升量子密鑰的生成速率，從而大幅度提高量子安全保密通信速率，是量子安全保密通信技術的重要方向之一。

4 后續發展啟示與建議

4.1 量子通信對未來信息技術的作用

量子通信技術能夠在原理上確保信息傳輸的絕對安全。目前，關于量子通信的基礎理論研究以及實驗工作取得了極大的突破，基于量子密鑰分發技術的量子通信系統已經走向實用化，并且隨著量子隱形傳態技術的逐漸成熟，量子通信技術將對傳統的通信領域產生顛覆性影響，是未來戰爭爭奪制信息權的關鍵。為確保航天系統中信息傳輸的安全性，奪取體系對抗中的信息優勢，應抓住量子通信技術發展的機遇，在航天系統中應用量子通信技術，變革航天系統現有保密通信技術，進一步提升信息傳輸的安全性，為奪取制信息權、贏得戰爭的最終勝利提供強有力的保障。

4.2 探索量子通信在航天領域中的工程化應用模式

在信息化戰爭的激烈對抗中，信息網絡必然是敵方精確打擊和信息攻擊的首要目標。信息安全技術是保障信息及信息系統在復雜戰場環境下穩定運行的重要技術，對提高武器裝備在信息戰中的實戰能力具有重要意義。量子通信作為一種新型的通信技術，在軍事信息系統領域具有重要的應用前景。量子通信技術提供了極為安全的保密通信，能夠做到密鑰安全分發，并能有效檢測竊聽，實現隱蔽通信，且信息效率高、信息容量大，為解決導彈武器系統的信息傳輸安全問題提供了有力保障。積極開展量子通信技術在導彈武器信息化系統中的工程化應用研究，將極大地提升導彈武器系統的信息安全水平和抗干擾能力，提高導彈武器系統的作戰能力和生存、對抗能力。量子通信技術不僅可以應用于導彈武器系統、指揮信息系統，提高核安控能力，還可以拓展到綜合保障信息系統領域、信息化作戰體系領域，提高未來導彈武器系統的體系作戰能力。

4.3 促進量子通信與現有航天裝備的有效融合

航天系統是由多個信息系統組成的復雜軍事系統，實際作戰過程中大量的機密信息在系統網絡中快速流轉、傳遞，而密碼系統可以為涉密信息的保密傳輸提供安全保障。密鑰作為密碼系統的核心，其安全性保障是實現保密通信安全的重點。量子密鑰分發技術相對成熟，并逐步走向實用化，將其應用于現有導彈武器裝備中，構建安全、可信的量子密鑰產生與分發系統，能夠有效檢測竊聽，確保密鑰的絕對安全分發，從而實現真正意義上的保密通信。由于光量子密碼具有“不可破”和“竊聽可知性”，且光量子密碼設備可與現在的光纖通信設備融合，因此，可以在現有通信網絡架構的基礎上，通過增加相應的量子密鑰產生與分發設備、量子光纖鏈路等方式，改善軍用網絡信息傳輸保密性，從而提高信息保護和信息對抗能力。

4.4 構建未來信息化作戰體系的軍事保密通信網絡

未來戰爭是信息化條件下的體系對抗，這種作戰模式下，有效防止信息被敵方竊取、泄露，建立絕對安全的信息鏈路是保障體系間建立高速無縫、安全可靠信息鏈路的關鍵，也是戰略導彈武器實現最終作戰意圖的核心。未來信息化作戰體系中，通過利用量子通訊衛星、天基/空基量子密鑰生成與分發系統，構建空間遠距離量子通信網絡，向戰場覆蓋區域內的用戶分發量子密鑰，形成信息化作戰體系的安全通信網絡，實現信息的絕對安全、保密傳輸，提高體系對抗能力。

軍事信息網絡需要大容量、高速率傳輸處理及按需共享能力。量子隱形傳態技術利用量子糾纏對的非定域關聯特性可實現量子信息的無障礙、任意距離的傳輸，使其能夠在信息對抗中實現在任何時間、任何地點建立可靠通信鏈路的目的，有效提高通信能力。隨著量子通信技術的研發突破和日趨成熟，可以利用量子隱形傳態以及超大信道容量、超高通信速率和信息高效安全等特點，建立未來軍事信息網絡。

5 結束語

在未來信息化戰爭中，制信息權是爭奪戰爭勝利的關鍵，而量子通信技術在信息安全保密傳輸方面有著無可比擬的優勢，是確保未來信息化體系作戰中奪取信息優勢的利器。有效探索量子通信技術的工程化應用模式，將量子通信技術成功應用于指揮信息系統、導彈武器系統，乃至未來信息化作戰體系中，能夠為未來信息化作戰條件下獲得戰場制信息權爭取有力優勢，從而大大提高航天系統裝備的信息對抗能力和實戰化能力。

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Application of Quantum Communication Technology in Space System

Yang Yong, Shi Ling-ling, Jia Xue-xian, Yan Xi-jun, Wu Qiang
(Beijing Institute of Astronautical Systems Engineering, Beijing, 100076)

Compared with the traditional security technology,quantum communication technology has a great advantage in information security,with a broad application in the field of military communication. Based on introducing the principle and the research progress of quantum communication technology,this paper gives application conceive of quantum communication technology in space system,in order to provide support for promoting the practical process of quantum communication and enhancing the ability of security protection of space information system.

Quantum communication; Information security; Space system; Key distribution

TJ761.1

A

1004-7182(2016)05-0048-05

10.7654/j.issn.1004-7182.20160511

2016-03-30；

2016-08-01

楊 勇（1987-），男，工程師，主要研究方向為電氣系統總體設計