量子通信和傳感在水下通信中的應用

陶建軍，王詩琹，陳祥東

（中國電子科技集團公司第三十研究所，四川 成都 610041）

量子通信和傳感在水下通信中的應用

陶建軍，王詩琹，陳祥東

（中國電子科技集團公司第三十研究所，四川 成都 610041）

近十幾年來，基于在數據傳輸安全性、傳感測量靈敏度和精確度等方面的特殊技術優勢，量子通信和傳感技術得到了快速發展。量子通信和傳感技術將為提升國家信息技術水平、增強國防實力，提供非常重要的基礎支撐，尤其在研發新一代信息對抗武器方面具有非常重要的戰略和戰術意義。因此，介紹量子通信和傳感技術的研究現狀，展望量子通信和傳感技術在水下通信中的應用，并闡述其發展中面臨的問題，以期為進一步研究奠定基礎。

水下量子通信；量子密鑰分發；安全性；量子傳感

0 引 言

在過去的幾十年里，信息技術遵循著自身發展規律，給社會帶來了天翻地覆的變化。目前，英特爾已經采用幾十納米工藝生產芯片，如果摩爾定律依然適用，將很快發展到采用十幾納米甚至幾納米工藝。這毫無疑問將進入“量子工藝”階段，量子信息技術的實際應用也已為期不遠。

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勢，特別是量子密鑰分發[1]（Quantum Key Distribution，QKD）技術保持著快速發展的態勢，并且已無可置疑地成為一個具有戰略意義的前沿技術領域之一。以QKD為代表的物理安全的量子保密通信技術的實用化，也已是一個明顯的趨勢。

光纖傳感器在精密測量和探測、精確導航和制導等領域發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用，光纖陀螺儀在精確制導武器和導航方面的應用等。目前，傳統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發展的瓶頸，并制約相關高精尖武器裝備的發展。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致相應的數據丟失或產生突發量子誤碼，因此利用這些原理，可以用于設計量子光纖傳感器，并將在精密測量、精確探測等技術領域發揮重要作用。基于在提高傳感測量靈敏度和精確度方面的特殊優勢及其在水下通信中的應用前景，量子光纖水聽器研究也得到了越來越多的關注。

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用研究現狀、應用前景和發展趨勢。

1 研究現狀

1.1 量子通信和QKD

理論上，QKD具有與計算復雜度無關的物理安全性，是可以對抗量子計算攻擊的一種新型密鑰協商手段。如果采用理想的QKD系統方案，通信雙方利用QKD系統可以協商出任意長度的隨機比特序列；把這個隨機比特序列作為一次一密的亂碼樣本來進行信息加解密，可以實現完全保密的通信。基于這種理想的應用愿景，QKD技術得到了廣泛關注和快速發展。

目前，國外最遠的點到點光纖QKD實驗記錄已超過250 km（速率約10 b/s）；QKD速率最高實驗記錄也超過50 Mb/s（在50 km光纖中傳輸）。目前，世界各國都在積極進行相關應用研究，美國[3]、歐盟[4]、日本和中國[5]等都進行了QKD網絡實驗。中國在QKD技術應用實驗方面走在世界前面，特別是中科大的兩個量子信息技術研究團隊，都在積極部署QKD城域網，并將促進相關應用研究進程。

但是，目前QKD被實際應用的必要性基礎還不可靠，如QKD系統的物理安全性模型及其安全性測評體系還不完善，QKD系統的實際安全性很難在中短期內得到完全解決等。另外，量子信號源、傳輸與檢測等方面的技術現狀與應用也有較大的差距。比如，量子糾纏信號源產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%（在系統頻率為100 MHz、暗記數小于1×10-5的情況下）。因此，短期內很難利用量子態進行所謂的量子通信，但是可以進行中低速的QKD或量子隨機數生成。

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，量子通信傳輸機制不受海洋時間、頻率彌散嚴重的非平穩隨機的傳輸鏈路特性影響，也不受限于海流、內波、不均勻水體、海生物等的背靜干擾噪聲綜合影響，且傳輸速率遠遠高于甚低頻、超低頻以及水聲通信手段。2014年4月，中國海洋大學研究成果顯示，水下量子通信在短距離內是可能的，并模擬計算了光子在保存其攜帶的量子信息的同時，進行水下量子通信能最遠傳輸125 m，并認為量子通信技術用于水下目標通信，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。

1.2 量子傳感

聲納設備是潛艇實現水下探測和通信任務的電子設備。作為聲納的核心器件，光纖水聽器在潛艇對抗中發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、結構簡單、抗電磁干擾、能做成大型聲納陣列等優點。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可行性和應用前景，代表了光纖水聽器發展的方向。

量子信號對環境干擾的敏感性為開發量子光纖傳感器奠定了良好基礎。目前，量子光纖水聽器、量子雷達成像和定位、量子光纖陀螺儀等已引起了一些研究團隊的重視，并開始進行相關技術的探索研究。

美國國防先期研究計劃局DARPA已經立項量子傳感器的研究專題。美國的NIST和Los Alamos國家實驗室主要從事基于TES的微觀粒子探測技術、基于超導SQUID的磁場探測技術等。美國Sandia國家實驗室主要研究基于原子物質波干涉的慣性測量系統，應用于精密導航和地震檢測。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聯性，并且可以實現隱形傳態。利用這種現象，可以用于水下通信。不過，這種應用并不能突破經典通信的距離和速率極限[7]。

進行隱形傳態通信必須首先進行糾纏粒子的分發和存儲（采用在線預分發和篩選提純的方式限制系統的速率，而采用離線分發的方式可以避免傳輸損耗，但也存在一定的局限性）。要進行水下通信并突破經典通信的距離極限，必須同時存在一個能夠在這種條件下進行有效的經典信息交互的信道。當然，采用高精度的原子鐘等離線同步方案，并采用事先協商好的方式進行相關測量，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行相關測量并實時獲取信息？如何確定水下目標的位置？在事先存儲的量子態使用完后，如何再次實現糾纏粒子的分發？當然，如果事先存儲的量子態足以完成某次任務，并且不再進行后續的應用，這將不再是一個問題。但是，事實不會這么理想化，因此所有這些相關問題的解決都很難脫離經典通信系統。由于糾纏粒子之間不受時空限制的相關性本身只是一個事實，其中并沒有信息量，因此糾纏粒子之間只有在進行相應的經典信息交互之后，才能實現通信功能。依賴輔助信息，就意味著不可能超越經典通信的極限。

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優勢，也很難突破經典通信的水下通信距離和速率極限。當然，這并不否定量子隱形傳態在某些特殊環境下進行通信的優越性。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備等性能上的局限性，針對QKD系統及其應用主要存在以下幾個方面的局限性。

（1）QKD系統的實際安全性需要不斷完善

目前，QKD相關的大多數研究成果都基于系統終端的可信性，但是QKD系統終端的可信性與傳統通信終端的可信性環境已完全不同。

當前，QKD系統廣泛采用誘騙態QKD協議。誘騙態協議的核心思想是讓竊聽者無法區分進入信道的光子來自信號態還是誘騙態。但是，發送端可以區分這兩種量子態，從而增加了發送端被植入后門或木馬的風險，也給系統終端的安全性檢測帶來了更多挑戰[8]。比如，發送端的隱蔽木馬主動干擾信號態和誘騙態的波長，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卻很難發現這個事實。目前，QKD系統還無法完全排除被“旁路攻擊”的可能性。當然，這并不是對QKD安全性的否定，而是說明QKD系統與傳統保密通信系統具有不同的安全和信任環境，而如何構建可信賴的QKD系統還需要進一步的探討。

（2）QKD系統的安全性測評體系需要創新

由于QKD系統的技術和成本費用門檻較高，實際參與QKD系統安全性的分析也主要局限于一些研究機構和大學。伴隨著相關技術的不斷發展，針對物理安全系統的攻防，將成為水下通信密碼攻防領域的新型“戰場”。從辯證的觀點來看，這種新型的攻防較量也將持續存在。“量子密碼終結黑客”的“預言”也將僅僅是一個夢想。

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

（3）QKD系統不可能解決所有信息安全問題

從QKD自身的技術特點分析，一方面由于量子態不能精確克隆，量子信號的遠距離傳輸、路由以及QKD系統的自由組網都將存在一定的技術瓶頸，且量子信號的傳輸也不像經典電磁波具有很大的靈活性。因此，QKD很難與傳統的通信網絡進行無縫對接，很難適應無線互聯網、移動互聯網等，也很難在廣域網應用中發揮關鍵作用。另一方面，QKD為點到點的數據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的身份識別和數據存儲保護等問題，并沒有在量子信息技術范疇內得到有效解決。

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

2.2 量子傳感

量子傳感器是基于量子效應或量子檢測特點實現的高精度新型傳感器。它利用量子信號對環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、精確導航和制導等領域發揮著十分重要的作用。通過對傳統光纖傳感器的性能分析發現，在傳統光纖傳感器的不敏感區域或盲區，對量子傳感系統來說卻是一個具有更高自由度的、極其敏感的測量區域，這正是設計量子光纖傳感器的良好基礎。

通過對光纖彎曲式強度調制型光纖傳感器進行模擬發現，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極其敏感，而傳統的光纖信號檢測儀器存在一定的測量盲區，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可行性和較好的應用前景。然而，相關技術還未引起廣泛的關注，目前公開文獻中只有少量關于量子霍爾傳感器、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光纖水聽器的靈敏度高2個數量級以上，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用前景。因此，開發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，為及時發現、打擊敵方艦艇，提高己方艦艇的生存力和戰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境的安全性。

3 結 語

目前，歐盟、中國、日本等都在進行星地量子通信研究。中科院于2011年底啟動了“量子科學實驗衛星”戰略性先導科技專項。該專項預計在2016年左右發射衛星，將在國際上率先實現星地量子通信，并將促進相關技術在水下通信中的應用研究。

傳統高、精、尖技術發展瓶頸問題的解決也需要新型的技術途徑，量子傳感器技術在突破測量精確度、探測靈敏度和準確度等方面將發揮重要作用。但是，提出新型的量子光纖水聽器的實現方法和途徑具有較大的難度，加大投入對于相關技術發展至關重要。

總之，近十年，量子通信和傳感技術發展迅速，方興未艾。量子通信和傳感在水下通信中的新型應用途徑也值得深入發掘。毋庸置疑，量子通信和傳感在水下通信中的實際應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和應用探索研究，對于搶占軍事對抗制高點非常重要。

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[9] 李宏偉,陳巍,黃靖正等.量子密碼安全性研究[J].中國科學,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，主要研究方向為保密通信、信息安全；

王詩琹（1984—），女，學士，工程師，主要研究方向為項目管理、嵌入式設備硬件設計及測試；

陳祥東（1979—），男，學士，工程師，主要研究方向為保密通信、信息安全。

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

中國電子科技集團公司技術創新基金項目“安全保密通信技術”（No.21020209）

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