無線量子通信系統的安全性與對抗方法探討

石 榮，吳 聰，閻 劍

（電子信息控制重點實驗室，四川成都610036）

0 引言

“量子”（Quantum）是構成物質的最基本單元，也是能量的最基本攜帶者，具有不可再分割性。自20世紀初研究微觀粒子運動規律的量子力學建立以來，其對量子特性的深刻揭示極大地推動了量子應用的發展，使得量子力學與相對論一起成為近代科學的重要支柱。特別是中國的潘建偉院士帶領團隊研制了世界上第一顆“墨子號”量子通信實驗衛星，在2016年8月16日成功發射并開展了一系列星地量子通信實驗，從而在全世界范圍內掀起了無線量子通信研究與應用的熱潮[1]。

隨著量子通信、量子雷達和量子計算等應用研究的不斷深入[2-3]，量子對抗的概念也隨之在電子對抗領域被提出，其主要是針對量子通信與量子雷達等目標系統研究偵察與干擾的方法，從而將電子對抗任務從傳統的電磁空間擴展至量子領域。特別是大量的新聞媒體報道宣稱“量子通信具有無條件的安全性”，這一描述使廣大人民群眾產生了無限的遐想與美好的憧憬，誤認為當前人類似乎已經找到了有效地可靠地傳遞信息的終極手段，戰場通信的終極目標很快將得以實現，并且認為針對量子通信難以實施有效的偵察與干擾，電子戰中的通信對抗將面臨極大的生存挑戰，實際上這僅是一個誤解而已。

本文在對當前無線量子通信系統的常見類型簡要介紹的基礎上，對通信的安全性與通信的有效性、可靠性之間的區別進行必要的分析，指出量子通信的安全性僅僅是指反竊聽方面，具有極高的保密性而已，并且這種不被竊聽的優點也比較受限。一方面由于受到當前工程實現邊界的限制，很多理論上所要求的條件無法得以滿足，所以利用這些工程實現缺陷中的各種漏洞仍然可以對當前的量子通信系統實現信息的竊取。另一方面，利用電子戰中的通信干擾手段，也完全可以對無線量子通信系統實施壓制干擾，阻斷無線量子通信系統中的各種傳輸信道，包括：以激光通信手段為基礎的量子信道，以及以微波通信手段為主的經典通信信道等，從而最終達到阻止對方利用無線量子通信手段進行信息傳輸和交互的目的。所以量子通信的應用并沒有從根本上改變電子對抗中干擾與抗干擾雙方的相對優勢，從電子對抗向量子對抗的擴展仍然充滿希望。

1 量子通信系統的常見類型

量子通信系統的類型主要有：量子隱形傳態；量子密鑰分發；量子安全直接通信；量子秘密共享；量子私鑰加密；量子公鑰加密；量子認證；量子簽名等[4-5]。其中量子通信系統的主要常見類型簡要介紹如下：

1）量子隱形傳態

首先由量子糾纏源生成糾纏光子對，通過2條量子信道分別傳給發送方與接收方，發送方將攜帶信息的光量子與其中一個糾纏光子進行貝爾態測量，然后將測量結果通過經典信道發送給接收方，接收方根據接收到的結果對另一個糾纏光子進行相應的酉變換，從而可恢復出發送方的信息，如圖1所示。由此可見，量子隱形傳態中需要依賴經典通信信道將測量結果由發送方傳至接收方，所以該系統是不可能實現超光速信息傳輸的。

2）量子密鑰分發

量子密鑰分發是以量子態作為信息的載體，通過量子信道傳輸后由通信雙發協商出密鑰的一種密鑰分發方法。在此基礎上發送方利用此密鑰對經典信息進行一次一密的加密，然后通過經典信道將密文發送給接收方，接收方在收到密文之后利用密鑰進行解密，從而實現理論上的安全通信，如圖2所示。在量子密鑰分發中量子信道總是利用一個光子中的一個物理量攜帶1 BIT信息，例如：偏振、自旋、相位等，并通過BB84協議、B92協議等來實現安全傳輸，其安全性是由量子力學中的海森堡測不準原理、量子不可克隆定理和糾纏粒子的關聯性與非定域性等來保證的。

圖1 量子隱形傳態通信系統原理框圖

圖2 量子密鑰分發通信系統原理框圖

2016年發射升空的“墨子號”量子通信衛星成功地開展了星地無線的量子隱形傳態和量子密鑰分發的試驗，從而也反映出上述2種量子通信系統已經開始步入工程應用的階段。

3）量子安全直接通信

接收方的量子態制備可采用糾纏源或單光子源。如果采用單光子源，接收方首先準備N個單光子，并使這些單光子隨機處于4個偏振的量子態之一，然后通過量子信道將這N個光子傳輸到發送端。發送端隨機選擇部分光子進行測量，然后將其位置、測量基和測量結果通過經典信道告訴接收端，接收端通過這些光子的錯誤率判斷量子信道安全性，如果安全則進行下一步操作，否則終止通信。發送端在不改變編碼基的條件下，在信息序列中加入部分校驗比特，編碼后通過量子信道傳至接收端。接收端在自己的編碼基下對接收到的光子進行測量。然后發送端通過經典信道公布檢測序列的位置和數值，接收端根據自己的測量結果判斷信道的安全性。如果安全，則可根據光子的初始信息得到發送端的信息序列，如圖3所示。

圖3 量子安全直接通信系統原理框圖

由上述3種常見的量子通信系統可知，無論是量子隱形傳態，還是量子密鑰分發，以及量子安全直接通信，在量子信道傳輸信息的過程中，仍然要依靠經典信道來進行收發雙方的信息交互才能完成整個通信過程，即在以上系統中單獨的量子信道是無法實現信息安全傳輸的。上述系統設計雖然可以在一定程度上有效防止信息遭受第三方的竊聽，但是整個通信系統的抗干擾能力并沒有得以本質上的提升，所以安全通信并不等效于有效并可靠地通信。

2 安全性與有效性、可靠性的區別

通信的安全性主要是指通信信號上所承載的信息的保密性、真實性、完整性等，通信安全是信息安全的重要基礎之一。其中，保密性是保證通信傳輸的機密信息不被竊聽，或竊聽者不能了解所傳輸信息的真實含義；真實性是指對傳輸的信息來源進行判斷，能對偽造來源的信息予以鑒別；完整性是保證傳輸信息數據的一致性，防止信息數據被非法用戶所篡改。在傳統的無線電通信中，通信信號被截獲與竊聽是比較常見的，甚至通信接收方還經常會接收到偽造的欺騙信號，或是被篡改之后的信號，所以傳統通信手段的安全性較差，一直依賴于對上層信息的高強度加密來提升其安全性。但是隨著加密與密碼破譯之間矛與盾的博弈加劇，世界各國早就成立了專門的通信偵聽與密碼破譯的特種機構，大量的專業人員長年累月地對截獲到的無線通信信號實施密碼分析與破譯，這給通信安全帶來了極大的威脅。而量子通信的出現，在理論上根本杜絕了通信有效偵聽的可能性，通信安全得到了本質上的保證，從而獲得了世界各國政府、軍事和商業等各個部門的高度關注與大力發展。

實際上通信的安全性與通信的有效性、可靠性之間是有極大區別的。通信的安全性關注的重點是確保其所傳輸的信息不被第三方竊聽；通信的有效性是指給定信道內所傳輸信息量的大小；通信的可靠性是指給定信道內接收到信息的可靠程度。對于一個通信系統來講，其有效性越高越好。對于模擬通信系統，其有效性可用有效傳輸頻帶來度量；而對于數字通信系統，衡量有效性的指標是信息傳輸速率，即單位時間內所傳輸的碼元數目，由比特/秒或波特/秒來表述。同樣，一個通信系統的可靠性越高越好，衡量數字通信系統的可靠性指標為誤碼率，即表示所接收到的數字信號中出現錯誤的概率，通常誤碼率=傳輸中的誤碼個數/所傳輸的總碼個數×100%。通信的有效性與可靠性是一對相互矛盾的指標，在實際系統中提高可靠性往往以犧牲有效性為代價，而調高有效性也往往會造成可靠性的降低，所以在一個通信系統的總體設計中，通常在滿足一定可靠性指標的前提下，盡可能地提高信息的傳輸速率；或者在維持一定的有效性的指標下，使信息傳輸的質量盡可能地提高。

實際上在電子戰的通信干擾實施過程中，其最主要的目的是通過對目標通信系統的干擾來降低該通信系統的有效性與可靠性，使得其通信傳輸速率降低，誤碼率增大，甚至阻斷通信鏈路使得通信雙方無法進行信息傳輸。由此可見，電子戰中的通信干擾對目標通信系統的安全性并不太關注，而且電子戰中的通信偵察在絕大部分情況下，對目標通信內容的還原也并不太感興趣，通信偵察的主要目的是截獲目標通信信號、提取信號參數，測量來波方向，從而為引導通信干擾提供信號參數與干擾方向的指示。

如此看來，量子通信雖然極大地提升了通信的安全性，給通信竊聽帶來了巨大困難，但對于通信的有效性與可靠性并沒有實質上的提升，所以對于電子戰的通信偵察與通信干擾的影響并不太大。總的來講，采用已有的通信偵察與干擾手段來對抗量子通信系統也并不存在不可逾越的困難與障礙。另一方面，量子通信的安全性也僅僅是理論上的保證，在工程實際應用中由于各種實現條件的限制，也會給通信竊聽的實施帶來新的機會。

3 利用量子通信工程實現缺陷的竊聽

到目前為止已經從理論上證明了量子通信系統不可能實現竊聽，但這僅僅是一種理論，而將該理論應用于工程實踐時，由于工程實現條件的限制造成一部分理論分析上的假設條件難以精確滿足，于是利用上述工程實現中的缺陷條件也可以對量子通信系統傳輸的信息進行竊聽。

1）當前量子密鑰分發通信系統并沒有完全實現一次一密

Vernam在1917年提出一次一密的思想[6]，即對于要傳輸的明文采用一串與之等長的隨機數進行異或加密，接收方在接收到信息之后，再采用同樣的這串隨機數進行異或解密，則恢復出原始數據流。這串隨機數被稱為密鑰，真正隨機且只用一次，一次一密的加密方法已被證明是絕對安全的。由此可見嚴格的一次一密要求密鑰的長度與通信數據的長度是一樣長的，這就意味著傳輸完全隨機的密鑰的通信速率與傳輸實際信息的通信速率相等。

在當前的工程應用中量子通信的速率遠遠低于實際通信數據的傳輸速率，即量子通信也僅僅是傳輸了少量的隨機數，然后通信雙方以此為短密鑰，作為雙方隨機數產生的共同種子，再通過一定的數學算法來合成大量的偽隨機數作為長密鑰，以此來達到一次一密中所要求的隨機數數量與要傳輸的通信數據數量完全匹配的目的。這也是當前幾乎所有加密系統中密鑰生產的方式，但該方式所產生的長密鑰并不是真正隨機的，僅僅是一種由短密鑰生產的長串偽隨機數而已，并沒有嚴格達到一次一密中完全隨機數的理論要求。這一工程實現缺陷給密碼破譯分析留下了突破口。

除非將量子通信系統中的信息傳輸信道的速率降低為量子密鑰分發信道的速率，使得量子信道傳輸的隨機比特數量與需要加密的信息比特數量相同，這樣就達到了一次一密所要求的完全隨機的理想條件。但是一旦這樣做，量子通信系統中的信息傳輸速率將變得非常之低，極大地降低了量子通信系統的商業應用價值，甚至是軍事應用價值。

2）量子通信工程實現中的各種安全漏洞

在光源方面，理論上要求量子通信需要采用理想的單光子源，但是技術難度極高，現階段在工程上難以實現，所以目前大多采用單一強度的弱相干態光源來替代單光子，這一工程缺陷就給光子數分流攻擊提供了條件。

在探測方面，理論上要求單光子探測器的效率為1，暗計數為0，死時間為0等，但是在工程實現上這些技術指標都不能完全達到。針對上述工程實現缺陷，已經提出了各種攻擊方法，例如：時移攻擊可以使得竊聽者獲得大約4%的信息；利用單光子探測器死時間這一缺陷，可采用強光來控制探測器的響應，從而竊取量子信道上傳輸的信息，而不被發現。

除此之外，還有大量的手段是利用量子通信系統工程實現上的缺陷來發起攻擊，進而在一定程度上竊取量子信道上傳輸的信息。關于這方面的攻擊手段在此就不再詳細展開了，感興趣的讀者可以閱讀參考文獻[4]。總之，上述事實說明，量子通信的安全性在當前情況下僅僅向理論極限逼近了一步而已，但是真正要達到理論上所描述的絕對安全，還有待于工程技術的進一步提升與不斷的改進來逐漸逼近理論極限。

4 阻斷量子通信傳輸的干擾方法

如前所述，量子通信僅僅在通信的安全性上有極大的提升，但在通信的有效性與可靠性方面并沒有太大的進步，所以通過電子戰手段阻斷量子通信傳輸鏈路仍然具有可行性。由前面對量子通信系統常見類型的介紹可知，目前實際應用的量子通信系統大多同時采用了2條通信傳輸信道：一條是量子信道；另一條是經典的通信信道，通過上述2條信道的協作來完成量子密鑰的有效分發，以及量子信息的有效傳輸。其中量子信道一般是在激光通信信道的基礎上改造而成；而經典的通信信道通常包括：長波、中波、短波、超短波、微波、毫米波等無線電通信信道、以及激光信道等。對上述通信信道實施阻塞壓制干擾將能夠有效阻斷量子通信系統的信息傳輸與交換，達到斷鏈斷網的目的。下面就從電子對抗的視角來分別闡述針對無線電信道與激光信道的通信壓制干擾方法。

4.1 針對無線電信道的干擾方法

長波、中波、短波、超短波、微波、毫米波等無線電通信信道一直是電子戰中傳統通信對抗的主要關注對象，針對上述無線電信道中的各種通信鏈路，包括模擬通信鏈路和數字通信鏈路，都開展過全面的通信信號偵察與干擾的理論研究與設備研制。無論是對定頻通信、直接序列擴頻通信、跳頻通信、還是對擴跳結合的通信，目前均有相應的偵察與干擾方法，關于這方面的研究已有大量的公開技術文獻與教科書進行了全面的闡述[5]，在此就不再重復展開贅述了。

如前所述的量子通信系統中的經典信道如果是一種無線通信信道，則采用傳統通信對抗中的壓制干擾方法可實現對經典信道的阻斷。由圖1～3可知，一旦經典信道上傳輸信息的有效性與可靠性得不到保障，甚至就完全不能傳輸信息，則前述的量子隱形傳態、量子密鑰分發、量子直接通信都會因為輔助測量信息無法有效傳輸而導致相應的量子所承載的信息也無法得到有效的傳遞。所以上述量子通信系統即使能夠確保信息不能被第三方進行有效竊聽，使得傳輸信息安全保密，但是也不能抵抗外界壓制干擾的攻擊。

4.2 針對激光信道的干擾方法

因為傳統的激光通信系統就是利用激光信道來實現信息高速傳輸的，所以激光信道既是一種傳統的經典通信信道，也是量子信道的一個重要組成部分，當在該信道上進行量子態形式的單光子傳輸時，激光信道就演化為量子信道。從另一個角度講，對激光通信信道實施壓制干擾，一方面能夠降低傳統激光通信的有效性，甚至阻斷激光通信的信息傳輸；另一方面對該信道上的量子態單光子的傳輸也能發揮強烈的擾亂作用。

在自由空間光學環境下，由于存在背景輻射，背景光子到達量子通信接收機時，會引起檢測錯誤，從而產生誤碼。對于一個確定的量子密鑰分配通信系統來講，背景光產生的干擾是一個恒量，與鏈路距離無關，而量子傳輸的有效比特率將隨鏈路距離的增加而減少，因為量子信道傳輸率和單光子捕獲概率隨著鏈路距離的增加而減小，所以通信距離越遠，誤碼率越高。對于其它類型的量子通信接收機也同樣面臨存在背景輻射的應用環境，背景光子到達接收機時同樣會引起檢測錯誤，從而產生虛警和漏警。中國發射的“墨子號”量子通信實驗衛星，公布的試驗數據其實都是在非常好的氣象條件下獲得的，如果遇到降雨、濃霧、霧霾和煙塵等氣象條件，“墨子號”量子通信實驗衛星的性能將劇烈下降。當然不能因為這一缺陷就否認量子通信的巨大成就。就如同當前的量子雷達脫胎于激光雷達一樣，當前的空間量子通信脫胎于激光通信。激光通信之所以沒有得到廣泛應用，其中重要的一點就是受地球大氣的影響實在太嚴重，所以至今為止的星地衛星通信中仍然以微波和毫米波通信手段為主。

針對激光通信的干擾手段有多種，常見的有同頻段激光干擾和煙霧干擾等[6]。在激光有源干擾應用中，對激光通信接收機實施壓制干擾，可導致其出現飽和、或者噪聲與背景信號電平大幅度提升，從而掩蓋真實的目標通信信號。在激光無源干擾應用中主要是煙幕干擾，煙幕是由空氣中懸浮的大量細小物質微粒組成，是以空氣為分散介質的一些化合物、聚合物或單質微粒等為分散相的分散體系，也稱之為氣溶膠。在光電無源干擾技術中對煙幕干擾機理和干擾性能有詳細的論述，在此就不再展開分析了，總之在煙霧干擾作用下激光通信的性能劇烈下降，甚至完全失效。對于由激光通信發展而來的量子通信，煙霧也可以有效阻斷其量子傳輸路徑。

總之通過對激光信道的有效干擾，可以使得量子通信系統的有效性與可靠性極大地降低，甚至完全阻斷量子通信中經典激光通信鏈路和量子通信鏈路，從而達到有效干擾量子通信系統的最終目的。

5 結束語

通過本文的分析可知，量子通信僅僅為保密通信提供了一種防止竊聽的有效途徑，并不是提升通信系統有效性與可靠性的抗干擾通信手段，所以當前電子戰中的通信干擾仍然能夠有效阻斷量子通信系統中信息的傳輸與交換。另一方面，當前的量子通信中的量子信道全部集中在光波頻段，幾乎所有的量子通信設備都是借助激光通信器件來搭建與實現的，所以電子戰中已有的針對激光通信的偵察干擾措施和對抗設備都可以借鑒并移植到針對量子通信的對抗設備中，對當前已經實際應用的量子通信系統實施對抗，并且一定能夠取得較好的干擾效果。將上述思想擴展開去，對于量子雷達的對抗也是同樣的道理，將電子戰中針對激光雷達的偵察干擾措施和對抗設備都借鑒并移植到針對量子雷達的對抗設備中，同樣可以獲得較好的干擾效果，其道理也是相通的。所以從電子對抗向量子對抗進行應用擴展，道路上雖然荊棘叢生困難相伴，但前景仍然是光明的。■