量子通信技術(shù)及其在消防中的應(yīng)用前景探討

陳思帆

(公安消防部隊高等專科學(xué)校，云南 昆明 650208)

量子通信技術(shù)及其在消防中的應(yīng)用前景探討

陳思帆

(公安消防部隊高等專科學(xué)校，云南 昆明 650208)

介紹了量子通信技術(shù)的基本概念、原理、特點以及我國的發(fā)展現(xiàn)狀，著重介紹了量子隱形傳態(tài)。簡要分析了當(dāng)前在公安網(wǎng)和消防通信中存在的一些問題，并結(jié)合公安消防部隊實際情況討論量子通信技術(shù)在消防領(lǐng)域中的應(yīng)用前景。

量子通信；量子隱形傳態(tài)；公安網(wǎng)；消防通信

2016年8月16日凌晨，隨著中國首顆量子科學(xué)實驗衛(wèi)星“墨子號”在酒泉發(fā)射升空，量子通信技術(shù)突破性的發(fā)展已成為社會各界熱議的話題[1]。量子通信因其絕對安全性，無障礙通信，傳輸效率高等特點被各個領(lǐng)域所廣泛關(guān)注。近年來，全世界各國都加大了對量子通信的研究投入，使量子通信技術(shù)發(fā)展迅速，產(chǎn)業(yè)化推廣勢在必行[2]。

現(xiàn)階段我國公安消防部隊主要以公安金盾網(wǎng)作為綜合業(yè)務(wù)平臺，隨著業(yè)務(wù)的不斷增長，公安網(wǎng)也存在著易受病毒感染和安全隱患等問題。同時在滅火作戰(zhàn)時的通信方式也比較落后，主要利用手持臺等，通過公安集群網(wǎng)、消防常規(guī)網(wǎng)進(jìn)行無線通信[3]。在撲救一些特殊場所火災(zāi)，譬如地下超深度場所、超高層建筑等時常遇到通信受干擾、衰弱甚至屏蔽的現(xiàn)象，嚴(yán)重影響了現(xiàn)場指揮和作戰(zhàn)，難以保障滅火戰(zhàn)斗的需求[4]。因此，筆者通過對量子通信技術(shù)的原理及特點的分析，結(jié)合當(dāng)前消防部隊實際情況，對量子通信技術(shù)在消防領(lǐng)域中的應(yīng)用前景進(jìn)行探討。

1 量子通信簡介

1.1 量子通信的概念

量子通信是一門以量子力學(xué)為基礎(chǔ)，結(jié)合信息學(xué)的新興交叉學(xué)科。量子通信技術(shù)按照傳輸?shù)氖墙?jīng)典信息還是量子信息而分為兩類：量子密鑰傳遞和量子隱形傳態(tài)。本文著重對量子隱形傳態(tài)進(jìn)行介紹，量子隱形傳態(tài)主要基于量子糾纏態(tài)的理論，使用量子隱形傳輸?shù)姆绞綄崿F(xiàn)信息傳遞。研究表明具有糾纏態(tài)的兩個粒子無論相距多遠(yuǎn)，只要一個發(fā)生變化，另外一個也會瞬間發(fā)生變化，基于這個理論實現(xiàn)量子通信的過程如下：事先構(gòu)建一對具有糾纏態(tài)的粒子，將兩個粒子分別放在通信雙方，將具有未知量子態(tài)的粒子與發(fā)送方的粒子進(jìn)行聯(lián)合測量，則接收方的粒子瞬間發(fā)生變化，變化為某種狀態(tài)。這個狀態(tài)與發(fā)送方的粒子變化后的狀態(tài)是對稱的，然后將聯(lián)合測量的信息通過經(jīng)典信道傳送給接收方，接收方根據(jù)接收到的信息對坍塌的粒子進(jìn)行逆轉(zhuǎn)變換，即可得到與發(fā)送方完全相同的未知量子態(tài)。

1.2 量子通信的特點

量子通信是以量子態(tài)作為載體來傳遞信息的，由于量子態(tài)自身所具有的一些特性，使得量子通信相比于其它經(jīng)典通信方式有如下幾種特點：

1.2.1 絕對安全性

量子通信技術(shù)具有絕對安全性源于量子力學(xué)的三個基本原理：不確定性原理，測量塌縮原理和不可克隆原定理。不確定性原理即不可能同時精確測量兩個非對易的物理量；測量塌縮原理即傳送途中對量子態(tài)進(jìn)行測量會不可避免地使該量子態(tài)塌縮到某一個本征態(tài)上，說明對量子態(tài)一經(jīng)檢測就會產(chǎn)生不可還原的改變并且留下痕跡；不可克隆定理即一個未知的量子態(tài)無法被精確克隆。所以用量子態(tài)進(jìn)行傳送的信息不可能不為所知地被竊聽、截獲、復(fù)制，因此量子通信也被稱為具有無條件安全性、被嚴(yán)格證明的安全性或絕對安全性。

1.2.2 無障礙通信

量子通信的主要理論依據(jù)就是量子糾纏態(tài)，即相互糾纏的兩個粒子無論被分離多遠(yuǎn)，一個粒子狀態(tài)的變化都會立即使得另一個粒子狀態(tài)發(fā)生相應(yīng)變化的。這說明作為信息載體的物理量子本身并沒有被傳送，被傳送的僅僅是量子的態(tài)，因此量子隱形傳態(tài)被視為可以穿越障礙的一種通信方式。

1.2.3 傳輸效率高

量子通信的傳輸效率高體現(xiàn)在兩個方面：一是存儲容量大，二是通信速率高。量子態(tài)的隱形傳送速度遠(yuǎn)超傳統(tǒng)的電流通信，光纖通信等通信技術(shù)的傳送速度。由于量子態(tài)的可疊加性和非定域性，使量子通信存儲容量也遠(yuǎn)超傳統(tǒng)通信方式，相比于現(xiàn)在的光纖通信，研究表明同等條件下，量子通信所傳輸?shù)男畔⒘渴枪饫w通信的幾十倍。

1.3 國內(nèi)發(fā)展概況

作為一種最新的通訊技術(shù)，量子通信技術(shù)的研究在我國起步較早，在基礎(chǔ)理論和產(chǎn)業(yè)化方面均位居世界前列。早在2007年，中科大聯(lián)合清華大學(xué)組成的研究小組在北京八達(dá)嶺與河北懷來之間架設(shè)長達(dá)16公里的自由空間量子信道，取得了關(guān)鍵性的技術(shù)突破。并在2009年進(jìn)行了世界上最遠(yuǎn)距離的量子隱形傳態(tài)實驗，證明了量子態(tài)可以穿越大氣層進(jìn)行隱形傳送。2012年，中科大潘建偉院士的研究小組首次實現(xiàn)百公里量級的自由空間量子隱形傳態(tài)和糾纏分發(fā)，為全世界首顆量子通訊衛(wèi)星"墨子號"的發(fā)射奠定技術(shù)基礎(chǔ)，也基本解決了量子通訊衛(wèi)星的信息傳輸?shù)葐栴}。 2015年中科大潘建偉院士的研究小組首次實現(xiàn)多自由度量子體系的隱形傳態(tài)，這是自1997年國際上首次實現(xiàn)單一自由度量子隱形傳態(tài)以來，又一突破性進(jìn)展。2016年8月隨著中國首顆量子科學(xué)實驗衛(wèi)星"墨子號"在酒泉發(fā)射升空，量子通信技術(shù)研究領(lǐng)域再次取得突破性進(jìn)展，量子通訊衛(wèi)星的成功發(fā)射也標(biāo)志著未來建立基于衛(wèi)星中繼的全球化量子通信網(wǎng)成為可能，也標(biāo)志著量子隱形傳態(tài)的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展正式提上日程。

2 量子通信在消防中的應(yīng)用

2．1 量子通信在公安網(wǎng)中的應(yīng)用

目前，隨著公安消防部隊信息化建設(shè)的不斷發(fā)展和完善，各個總隊均已建立以公安金盾網(wǎng)為依托的綜合業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)平臺。面對不斷增長的計算機(jī)信息網(wǎng)絡(luò)資源，公安網(wǎng)的問題也日益凸顯，主要存在以下幾方面問題：一是安全問題，在公安網(wǎng)進(jìn)入到日常工作中之后，由于其固有的開放性，使內(nèi)部涉密文件的失泄密風(fēng)險逐漸增大。雖然消防部隊也制定了很多規(guī)定，如不能一機(jī)兩用等，但依然面臨黑客入侵，軟件漏洞，網(wǎng)絡(luò)通訊等風(fēng)險。二是病毒問題，公安網(wǎng)上的病毒主要是office宏病毒，尤其是在我們下載公安網(wǎng)上的文件時，很容易感染上這種病毒。office宏病毒破壞力極強(qiáng)，很有可能造成我們的信息泄露。三是傳輸速率問題，現(xiàn)今公安網(wǎng)基本依托光纖線路進(jìn)行傳輸，當(dāng)數(shù)個計算機(jī)同時訪問時，會存在傳輸速率下降，網(wǎng)絡(luò)變慢的問題，不能很好的進(jìn)行辦公操作。

由于量子通信具有絕對安全性，即使被竊聽也會在出現(xiàn)不可還原的改變并留下痕跡，而被原有接受者發(fā)現(xiàn)。因此可以基于量子加密通信設(shè)備加上我們目前正在使用的光纖通信設(shè)備融合，建立新的公安金盾網(wǎng)，以此來提升運(yùn)用公安網(wǎng)進(jìn)行信息傳輸?shù)谋Ｃ苄裕苊饬嗽诰W(wǎng)絡(luò)通信途中泄密的風(fēng)險，極大的提高了公安網(wǎng)的安全性。其次建立量子通信技術(shù)為基礎(chǔ)的公安網(wǎng)能解決網(wǎng)絡(luò)速率傳輸?shù)膯栴}，即利用量子通信的兩個顯著特點：信息容量大和通信速率高。采用量子通信技術(shù)使公安網(wǎng)成為一個超大的數(shù)據(jù)存儲平臺，可以存儲各消防總隊所上傳的火災(zāi)案例或救援案例，在公安網(wǎng)上實現(xiàn)無障礙的經(jīng)驗交流；其次利用量子通信技術(shù)建立公安網(wǎng)，各消防總隊可以依托公安網(wǎng)平臺建立自己的辦公平臺，解決信息傳輸速率慢等問題，實現(xiàn)全面辦公自動化。

2．2 量子通信在消防通信中的應(yīng)用

依據(jù)我國《消防通信指揮系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范》，現(xiàn)階段我國消防部隊所使用的無線通信網(wǎng)應(yīng)由以下三級網(wǎng)組成：消防一級網(wǎng)即城市消防轄區(qū)覆蓋網(wǎng)，主要用于保障城市消防通信指揮中心與移動消防指揮中心和轄區(qū)消防站固定電臺、車載電臺之間的通信聯(lián)絡(luò)；消防二級網(wǎng)即現(xiàn)場指揮網(wǎng)，主要用于保障火場及其他災(zāi)害事故現(xiàn)場范圍內(nèi)各級消防指揮人員之間的通信聯(lián)絡(luò)；消防三級網(wǎng)即滅火救援戰(zhàn)斗網(wǎng)，適用于火場及其他災(zāi)害事故現(xiàn)場范圍內(nèi)各參戰(zhàn)消防隊內(nèi)部的指揮員、戰(zhàn)斗班長、駕駛員、戰(zhàn)斗員之間的通信聯(lián)絡(luò)。

目前消防通信網(wǎng)在實際滅火救援即應(yīng)急救援戰(zhàn)斗中主要存在以下問題：一是單兵通信種類多，易產(chǎn)生干擾。現(xiàn)行的消防通信網(wǎng)中包含：集群網(wǎng)無線電臺、數(shù)字化手機(jī)、3G數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)通信技術(shù)，保證火場通信的暢通同時也由于多制式、多頻率的會造成一定的干擾，導(dǎo)致通信混亂。二是網(wǎng)內(nèi)通話電臺過多，易造成堵塞。在大型火災(zāi)事故的救援現(xiàn)場，現(xiàn)場多個中隊協(xié)同滅火作戰(zhàn)時共用一個通信信道，網(wǎng)內(nèi)電臺數(shù)量激增，導(dǎo)致通話量出現(xiàn)瞬間高峰，從而出現(xiàn)通信堵塞和混亂。三是容易受環(huán)境的限制，造成通信受阻。近年來，高層建筑和地下火災(zāi)頻發(fā)，并易導(dǎo)致大量人員傷亡，其中消防通信問題首當(dāng)其沖。由于電磁波在空間中傳播時信號會衰減，進(jìn)而導(dǎo)致無法在高層建筑、地下超深度場所或超長度隧道等環(huán)境進(jìn)行全覆蓋。其它如在地震災(zāi)害救援中，由于無線基站、光纖電纜以及電力系統(tǒng)被損壞，基本意味著常規(guī)通信設(shè)備及方法已經(jīng)完全喪失作用。

量子隱形傳態(tài)是利用量子糾纏態(tài)進(jìn)行隱形傳送，與傳播介質(zhì)無關(guān)，這就使得量子通信不再受環(huán)境的阻礙。因此，首先利用量子通信技術(shù)建立消防通信網(wǎng)，可以在高層建筑、地下超深度場所或超長度隧道等無線信號易受干擾的環(huán)境中進(jìn)行正常的消防通信。同時在地震等大型災(zāi)難的應(yīng)急救援通信中，量子通信也可以在常規(guī)通信設(shè)備失效的時候發(fā)揮作用，結(jié)合衛(wèi)星通信和短波通信組成消防通信網(wǎng)，為應(yīng)急救援提供通信保障。其次利用量子通信技術(shù)進(jìn)行滅火救援現(xiàn)場通信，可以避免現(xiàn)在單兵通信種類多，易產(chǎn)生干擾的問題；由于其傳輸效率高，還可以有效地解決通信堵塞的問題，并且為"三級同傳"提供有力的保障，便于指揮中心觀察到救援現(xiàn)場的情況，幫助現(xiàn)場指揮員進(jìn)行正確科學(xué)的決策。最后由于其絕對安全性，在進(jìn)行滅火救援指揮時不易被竊聽，進(jìn)而暴露軍事實力，因此保證了我國消防部隊在作戰(zhàn)時的通信安全。

利用量子通信技術(shù)建立消防通信網(wǎng)，可以有效地解決現(xiàn)階段消防通信中存在的瓶頸問題，并且也是我國消防通信理論和技術(shù)的重大創(chuàng)新。這對提高我國消防部隊的滅火救援能力，建設(shè)一支“能打勝仗”的隊伍具有極其重大而深遠(yuǎn)的意義。

3 結(jié)束語

量子通信技術(shù)是一種新興的通信技術(shù)，在我國的基礎(chǔ)性研究起步較早，并且近年來在量子通信技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化方面也取得了一定的成就，位于國際領(lǐng)先行列。但目前開始產(chǎn)業(yè)化的是量子密鑰分配，而非量子隱形傳態(tài)，因此若能及時地開發(fā)由量子隱形傳態(tài)為基礎(chǔ)的新型通信裝備，不僅能加強(qiáng)公安網(wǎng)的可靠性和穩(wěn)定性，同時也可以在消防通信裝備上實現(xiàn)新的突破，改變以往先進(jìn)的技術(shù)裝備依賴進(jìn)口的局面。

[1] 徐啟建,金 鑫,徐曉帆.量子通信技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及其應(yīng)用前景分析[J].中國電子科學(xué)研究院學(xué)報,2009(5):491-497.

[2] 盧利鋒.量子通信技術(shù)研究及其應(yīng)用分析[J].光通信研究,2013(4):28-30.

[3] 鄭金寶.災(zāi)害現(xiàn)場消防350M常規(guī)無線通信常見問題及解決對策[J].武警學(xué)院學(xué)報,2015(8):22-25.

[4] 王宗盛.消防滅火救援現(xiàn)場通信存在問題與對策[J].武警學(xué)院學(xué)報,2014(10):32-35.

(本文文獻(xiàn)格式：陳思帆.量子通信技術(shù)及其在消防中的應(yīng)用前景探討[J].山東化工，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

陳思帆(1990—)，吉林省吉林市人。

TU998

A

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