量子通信在交通通信與網絡中的應用

摘要 隨著信息技術和通信網絡的不斷發展，通信網絡的需求也在變化，未來的通信網絡要滿足高速率、低時延和安全可靠的網絡互聯需求。當前的交通通信網絡雖然得到了一定的發展，但仍存在著網絡安全性不足，功能定位單一等問題。量子通信是利用量子相干疊加、量子糾纏效應完成信息傳遞的一種新型通信技術，可以實現安全、高效的信息傳輸，為未來交通網絡的發展提供了強大的支持。文章對量子通信在車聯網等交通前沿領域的應用進行討論與分析，并對量子通信未來在交通領域的廣闊應用與發展前景做出構想。

關鍵詞 量子通信；交通通信與網絡；網絡信息安全；車聯網；智慧城市

中圖分類號 TN925 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2023）06-0001-03

0 引言

自黨的十八大開始，中央政府十分重視交通運輸建設的重要性，積極推進現代化交通網絡建設，協調平衡各種運輸方式，加速構建安全、快捷、高效、環保、經濟的綜合交通體系，為實現社會經濟發展目標提供強大的支持。然而交通前沿領域的發展卻始終面臨著網絡安全性不足、信息傳輸效率低下等問題。量子通信是一門新興的交叉性學科，其利用量子糾纏效應來傳遞信息，具有極高的安全性和效率。因此該文將深入分析與探討量子通信及其在交通通信與網絡領域中的運用。

1 通信網絡概述

由于網絡技術的飛速發展，信息傳遞的時空障礙被破除，使得遠距離的不同終端可以實現實時、便捷的交流互動，進而推動世界朝著扁平化趨勢發展。2018年，我國提出了加快“新型基礎設施”建設工作，作為新基建的重點和網絡建設的基石，通信網絡將為互聯網、人工智能、智能制造業等信息領域新技術的發展和應用提供強有力支持。隨著新型基礎設施建設的不斷推進，通信網絡的發展將為人工智能、云計算、大數據等技術提供高帶寬、低時延和安全可靠的通信保障。

2 交通通信與網絡現狀與問題分析

隨著全球信息技術持續快速發展，我國交通網絡規模也在不斷擴大，通信網絡的拓撲結構在一定程度上得到優化，實現了通信網互聯互通、交通網絡雙層規劃以及資源共享的完善體系，為運輸效率、行車安全、乘客舒適度以及應急處理等方面提供強有力支撐。“兩個一百年”的宏偉目標提出，要提供安全、便捷、優質的綜合交通信息服務。然而在當今環境下，交通通信網絡仍然面臨以下幾大問題。

2.1 網絡安全性不足

在多智能體系統中，節點間協同控制的實現必須要依賴連通的網絡通信圖，然而由于多智能體系統通常在開放環境中部署并運行，其網絡通信線路易受外部環境的影響，甚至遭到惡意攻擊。

2.2 功能定位相對單一

以城市軌道交通通信系統為例：我國在早期建設城市軌道交通通信系統時，由于缺乏對城市軌道交通的合理規劃，導致建設過程中出現較多問題。在開展城市規劃建設時，過分強調軌道交通和公共交通因素的影響，而忽略了對系統功能定位的清晰劃分。對于城市軌道通信系統的定位，往往將其看作一種服務設施，因此不能充分發揮其作用，且對其后續的維護和升級工作也不夠重視。隨著城市的高速發展，城市軌道交通設施需求量不斷增加，單一的軌道交通設施往往不能滿足時代發展的需要，從而對城市軌道交通多元化發展提出了更高要求[1]。

2.3 通信標準不統一

隨著科技技術水平的提高，傳統高速公路的交通通信網絡系統已經不能適配于當今社會的需求，并且因為各部門在系統建設過程中缺乏統一，所以導致信息的互聯互通和資源共享受到了限制，使得交通管理成本大幅度提升，管理難度也隨之增加。例如，在大數據系統的幫助下，可以實現對高速公路的高效管理，對可能面臨的危險情況及時做出預警。但是由于目前在高速公路交通通信網絡建設的過程中還沒有完成技術標準的統一，不同地區管理部門間信息難以有效互通，為高速公路交通管理增添了不必要的工作量[2]。

3 量子通信國內外綜述

近幾年，量子通信技術因其卓越的安全性而成為科學研究的熱點。1984年，Brassard與Bennett提出了首個量子密鑰分發協議（BB84協議），成為量子通信的開始。量子保密通信網絡建設從小規模試驗網開始，2003年美國國防部資助建立全球首個QKD網絡、美國國家標準技術局在2006年展示了3用戶的QKD網絡、2008年歐盟建成了SECOQCQKD網絡、2009年西班牙建成了馬德里QKD網絡實驗床、2010年日本建成了4節點東京QKD網絡等。2008—2009年，中國科學技術大學先后建成了3節點與5節點的QKD網絡。

在中國，量子通信技術已經取得了很大進展。2013年7月，中國科學技術大學建立了長達2 000余公里的量子保密通信“京滬干線”城域網，連通了北京市、上海市、合肥、濟南等地。2017年實現與“墨子號”量子衛星對接，構建了全球最大規模的QKD網絡。2018年，世界上第一個城市范圍內的量子通信網在中國成功實現。

中國在這一領域取得的突出成就引起了世界各國的廣泛關注和積極跟進。歐洲和美國也在積極開展量子通信的研究。歐洲在2016年實現了基于光纖的量子密鑰分發，而美國也在2017年成功地實現了基于微波的量子通信。此外，日本、韓國、加拿大和澳大利亞等國家也在進行量子通信的研究和實驗。目前，國際上正在積極探索量子通信的商業應用和標準化[3]。

4 量子通信的原理與特性

4.1 量子通信的基本原理

量子通信的理論定義其實并沒有一個嚴格標準，從物理學角度可以認為是一個物理極限，通過量子效應就可以實現高性能通信。從信息學角度而言，量子通信過程中相應信息的傳遞是借助量子力學原理中特有的屬性來實現的。量子通信采用量子糾纏和量子態傳輸等特性建立安全的密鑰，通過量子態測量傳輸信息，保證信息的安全傳輸和保護。其中，量子糾纏實現密鑰分發，量子態傳輸實現信息傳輸，量子態測量實現信息獲取[4]。量子保密通信流程如圖1所示。

量子通信分為兩類：量子密鑰分發和量子態隱形傳態。量子密鑰分發即量子信道負責傳輸量子密鑰，經典信道負責傳輸測量基等額外信息。而量子隱形傳態則是將物體的一部分信息通過量子信道傳遞給接收方，同時用傳統信道作為補充傳輸剩余信息。

4.2 量子通信的特性

相較于傳統的通信方式，量子通信的顯著優勢在于高效率性和絕對安全，此外量子通信還具有出色的隱蔽性能、強大的抗干擾能力、較低的噪音比以及可以被廣泛應用的潛力。

4.2.1 絕對安全

量子通信的優越性在于其會將信息進行加密傳輸，且此過程中形成的密鑰充滿隨機性，可以有效避免被相關人員截取并破譯出真實信息，而傳統通信方式存在的安全性問題則無法克服。并且由于量子的不可分割以及不可復制性，能夠使信息傳遞者在第一時間發現是否被他人竊聽，從而及時改變信道或停止傳遞，所以嚴格意義上來看，它是絕對安全的。

比如，光纖網絡就像是一條高速公路，光子是一輛裝滿貨物的汽車。在經典通信條件下，汽車成隊按照一定路線行進；而在量子密鑰分發下，汽車是獨自行駛在路面上，而且還會呈現隨機的速度和狀態，甚至會行駛在不同的車道上，混入不同的車流中。前者可以截獲完整的信息，而后者即便捕獲到某一輛或某幾輛車，也會造成貨物缺失，即使是能夠破解，也無法獲取完整的信息。

4.2.2 高效率性

量子糾纏態是量子通信高效率性的有效保障，即相互糾纏的兩個粒子無論在物理距離上被分隔多遠，一個粒子的狀態都會隨著另一粒子狀態的變化而立即產生相應變化。通過量子糾纏態進行量子態隱形傳輸屬于間接傳輸技術，能夠極好地實現無障礙通信[4]。這就如同將一個物體放在A點，然后通過掃描儀器記錄A點物體的所有物理信息和生物信息，依照記錄的數據在B點創建出一個物體的“完美”復制品，從而實現物體的“轉移”。

5 量子通信在當前和未來交通中的應用前景

量子通信容量大、傳輸距離遠、傳輸效率高、保密性強等特點，使其能夠滿足車聯網、車路協同、智慧城市等交通領域前沿技術的傳輸效率和安全需求，因此具備巨大的發展潛力。

我國城域量子保密通信技術在實用化方面已基本滿足要求：在城際量子保密通信方面，中國建成了世界上首條遠距離量子保密通信骨干網“京滬干線”；在衛星量子通信方面，中國成功研制并發射了國際上首顆量子微納衛星“濟南一號”以及世界首顆量子科學實驗衛星“墨子號”[5]。在量子保密通信網絡建設和應用方面，多項重要活動采用中國自主研制的量子保密通信裝備作為信息安全保障。

5.1 量子通信在車聯網技術中的應用

人民群眾的生命和財產安全與車聯網安全性直接相關，因此，近年來車聯網安全事故受到高度關注，車聯網安全性的提升已經成為一個不可忽視的重要議題。車聯網的實現依賴于各種傳感技術、無線通信技術、互聯網技術等，因為其通信網絡拓撲結構自主、變化頻繁以及通信場景多樣化等特點，使車聯網中的網絡節點相比傳統節點，易遭受更多、更復雜的網絡攻擊，給系統的自主防御和安全防護帶來了新的挑戰[6]。

結合量子通信技術應用和部署現狀，量子通信能夠在車聯網的身份認證、數據傳輸和云平臺數據存儲等方面發揮有效的數據安全保護作用。量子安全與智能交通實現完美結合依賴于密鑰收發兩端的安全分發實現，現在智能交通或者車聯網是終端、網絡、平臺和應用層，包括車載通信、VX、V2X等，車輛中的身份認證、信息加密以及敏感信息的傳輸都需要有密鑰保護。量子通信技術在車聯網安全需求中應用的主要拓撲結構如圖2所示[6]。

5.2 量子通信在智慧城市中的應用

對于新一代萬物互聯的智慧城市建設，設施設備智慧化帶來的安全性問題不容忽視。未來，服務智慧城市的城市級安全共生系統將突破“信息化系統先建后防護”的傳統安全服務模式，構筑城市安全基座及服務能力。其中量子加密技術將在智慧城市的安全保障方面發揮重要作用。作為量子加密應用的基礎，量子密鑰云平臺可以提供全生命周期的管理能力，包括密鑰生成、存儲和分發等。

在智慧城市的具體應用場景中，量子密鑰分發技術能夠與原有的安全保護措施緊密結合，如集群對講、視頻會議、無人機巡檢等數據傳輸場景，進而有效提升企業系統的安全等級。智慧城市中的交通系統需要實時的數據傳輸和處理，包括車輛的位置、速度和路況等信息。量子通信可以提供更安全、更高效的數據傳輸和處理，減少交通擁堵和降低事故發生率。

5.3 量子通信在對潛安全通信系統中的應用

在對潛安全通信系統中，岸基指揮所與深海中的潛艇間通信困擾世界各國已久。目前的技術通常只能勉強實現與水下百米左右的潛艇通信，并且通信系統非常龐大，通信效率極低，抗毀性極差，造價極高。同時采用傳統加密方法，不能保證信息的傳輸嚴格安全。量子存儲與量子隱態傳輸的實現，將為對潛通信提供一條新的可行途徑。用激光將糾纏量子光源產生的一對糾纏光子，分別傳送到岸基指揮所和潛艇并加以存儲，利用量子隱態傳輸即可實現岸潛間的安全通信[4]。

6 結語

中國量子通信技術現已到達國際先進技術水平，未來發展潛力巨大，前景無限。中國科學院院士潘建偉指出，構建全球范圍的廣域量子通信網絡體系是量子通信的發展目標。因此將衛星通信網絡與地面網絡相融合，形成“天地一體化”的信息網絡架構，更加符合未來網絡的發展趨勢。

在推進基礎設施向智能化升級過程中，推動綜合交通運輸信息平臺監管服務功能進一步完善，并且在具備條件的地區建立自動駕駛試驗區以及自動駕駛監管平臺。要不斷推進車聯網部署和應用，構建“車－路－交通管理”一體化協作的智能管理系統。

量子科技關乎國家戰略，我國量子科技發展要始終走在世界前列，就需要不斷突破創新，努力探索出一條更加高效靈活、資源整合的協同創新之路。隨著量子通信技術的不斷發展和普及，它將在未來的交通通信網絡中發揮極其重要的作用，為人們的日常出行和生活帶來更舒適、高效和安全的體驗。

參考文獻

[1]趙琪. 城市軌道交通通信系統的發展分析與現狀研究[J]. 企業科技與發展， 2020（10）： 68-69+72.

[2]楊美華. 大數據環境下的交通通信網絡研究[J]. 中國新通信， 2018（1）： 176.

[3]中國通信標準化協會量子通信與信息技術特設任務組. 量子保密通信技術白皮書[Z]. 中國通信標準化協會， 2018： 40-45

[4]徐啟建， 金鑫， 徐曉帆. 量子通信技術發展現狀及應用前景分析[J]. 中國電子科學研究院學報， 2009（5）： 491-497.

[5]潘建偉. 更好推進我國量子科技發展[J]. 紅旗文稿， 2020（23）： 9-12.

[6]劉宴兵， 宋秀麗， 肖永剛. 車聯網認證機制和信任模型[J]. 北京郵電大學學報， 2017（3）： 1-18.