喬偉哲，李 雅

(1.山西大眾電子信息產(chǎn)業(yè)集團有限公司第一研究所,山西 太原 030024；2.山西大學(xué),山西 太原 030006)

0 引言

信息化戰(zhàn)爭主要指在當(dāng)年信息技術(shù)高度發(fā)展的核威脅的情況下，一種能夠充分依靠可利用的信息化資源和信息化戰(zhàn)爭形態(tài)，敵我雙方主要以信息化技術(shù)資源為主要依托，在陸、海、空、天、電等多位空間進行多兵種的戰(zhàn)斗形式。所以獲取信息的高效和保密成為戰(zhàn)爭勝利的一大法寶和取勝的關(guān)鍵所在[1]。擁有信息的能力就會成為信息化戰(zhàn)爭的“鑰匙”。

量子通信是一種新型的通訊手段，主要是利用量子糾纏效應(yīng)進行傳遞信息的一種載體，是近代新興的一種學(xué)科，是量子論與通信與信息論相互交叉的新領(lǐng)域。

光量子通信主要是基于量子糾纏效應(yīng)的理論知識，利用量子隱形傳遞的方式來實現(xiàn)信息的交互。經(jīng)過無處次實驗可以得出一個結(jié)論，只要具有糾纏態(tài)的兩個粒子，不論兩個粒子相距多少距離，只要其中一個粒子的狀態(tài)發(fā)生變化，另一個粒子也會瞬間發(fā)生狀態(tài)的改變。利用此實驗結(jié)論，可以實現(xiàn)光量子通信的過程：可以事先構(gòu)造一對有著量子糾纏態(tài)的粒子，將這一對粒子分別放置于通信實驗的兩端，將待測粒子和已知狀態(tài)粒子進行聯(lián)合測量，被測量的粒子瞬間發(fā)生的坍塌，此狀態(tài)和已知粒子的坍塌后的狀態(tài)是對稱的，接著將聯(lián)合的測量信息經(jīng)過信道傳遞給受測量的粒子，受測量的粒子依據(jù)所接收到的信息對坍塌的粒子進行幺正變換(也就是逆轉(zhuǎn)變換)，這樣就可以得到和已知粒子完全相同的未知量子形態(tài)[2]。

在安全性能和高效性能方面，經(jīng)典通信和光量子通信是無法比擬的。就安全性而言，首先，量子通信加密的鑰匙是隨機的，所以不存在泄密的現(xiàn)象，就算是被敵軍截住信息，也沒有辦法得到正確的信息，故無法破譯其中的信息；其次，已知粒子和被測粒子，兩者均具有糾纏態(tài)形式，只要其中的一個粒子發(fā)生量子態(tài)的變化，另外一方的量子態(tài)形式也就會隨之馬上變化，而且根據(jù)量子理論，在宏觀狀態(tài)的任何視覺觀察和干擾，均會馬上改變量子態(tài)形式，便會引起粒子的坍塌，這樣敵軍就會由于受到干擾而得到不完整的信息或者被破壞的信息，而不是原先正確的信息[3]。而高效性指的是被測的未知量子態(tài)在此之前是處于糾纏態(tài)的，也就是同時代表幾個狀態(tài)，比如說一個量子態(tài)可以同時有兩種表現(xiàn)形式，可以用0和1表示，7個這樣的量子態(tài)便意義一起表示128個這樣的狀態(tài)，或者用128個數(shù)字來表示這種狀態(tài)。一般量子通信傳輸一次就相當(dāng)于普通通信傳送128次。假如傳輸帶寬是64位甚至更高的情況下，量子通信和普通通信的差距就是2的N次方，甚至?xí)?。倘若這一技術(shù)運用于軍事領(lǐng)域，在信息化時代的戰(zhàn)爭，我國將會在這一領(lǐng)域一直處于領(lǐng)先地位。

1 光通信與電通信

在信息化的通信時代中，光和電均可以作為一種傳播的載體。作為一種載體，光子和電子所攜帶的數(shù)據(jù)量是不一樣的。即便兩者的傳輸速度是一樣的。這里的數(shù)據(jù)量指的是計算機可以識別的信息可以轉(zhuǎn)化為其他信息的以0和1表示的數(shù)據(jù)。在電子信號中1代表高電平，0代表低電平，電路中電流的接通或者斷開也可以用0和1來表示，或者是正負(fù)極的交替。這樣接通斷開的快慢決定信號產(chǎn)生數(shù)據(jù)量的大小，比如激光變化非?？?，產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量就比較多，電信號的通斷比起激光就少很多，也就會出現(xiàn)數(shù)據(jù)量的承載差別，引起相應(yīng)帶寬速度的不同。

雖然目前的電信號已經(jīng)不是和以前那樣的單指信號的通斷或者是正負(fù)極的轉(zhuǎn)換了，目前還可以通過其他辦法進行提高信號的速度，例如：使用的雙絞線以太網(wǎng)電纜，可以通過改變電壓值，來改變傳輸速度，實現(xiàn)一次傳輸5位信息，而不是以前的2位信息，并且還可以通過4對雙絞線組成一束的形式，成功將速度提升到1Gbit/s。目前千兆以太網(wǎng)的通信能夠?qū)⑺俣忍嵘?Gbit/s，可以說已經(jīng)到了極限，作為電信號通信手段，提升的空間不是很大，但是理論上光子傳輸信號的能力可以達到100Tbit/s的傳輸速度。另外，電信號還存在比較大的衰減問題，電信號傳輸速度會從一開始的光速c，在傳輸過程中衰減到0.77c，光子信號傳輸基本沒有衰減，不會出現(xiàn)這樣的情況，并且傳輸?shù)木嚯x也不會影響其傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量，所以目前對光子的傳輸作為熱點和重點來研究。

2 量子探測

目前，量子探測技術(shù)可以實現(xiàn)對非常微弱的信號進行探測，目前的光子探測技術(shù)，可以實現(xiàn)將現(xiàn)成的機載光電探測距離從短短的幾十公里提升至上千甚至好幾千公里，這將會引起機載目標(biāo)的變革，此探測技術(shù)將會對未來的對空作戰(zhàn)有了很大的提升。

可以借助于單光子超高靈敏度的探測系統(tǒng)，可以在距離數(shù)百千米到幾千千米內(nèi)發(fā)現(xiàn)隱形飛機的蹤跡，使其無處隱形。F-22、B-2等隱形飛機是配裝有單光子探測系統(tǒng)的戰(zhàn)斗機，實現(xiàn)了從中距離作戰(zhàn)轉(zhuǎn)向遠距離作戰(zhàn)。比如目前裝載單光子的超遠程空空導(dǎo)彈，他的活力距離甚至可以攻擊到幾百甚至幾千公里之外的敵軍目標(biāo)。將空中戰(zhàn)爭從原先的幾十公里的超視距作戰(zhàn)轉(zhuǎn)變成為現(xiàn)在的相隔數(shù)千公里的非接觸式的作戰(zhàn)形式。

利用配備有單光子探測系統(tǒng)的裝備，這樣就可以構(gòu)建一個大型單光子探測系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，只需要少數(shù)的單光子探測系統(tǒng)便可以實現(xiàn)在對空網(wǎng)絡(luò)的全范圍覆蓋，在這種基礎(chǔ)上，聯(lián)合地面或者空中的導(dǎo)彈或者遠程攻擊導(dǎo)彈構(gòu)成一個地空聯(lián)合作戰(zhàn)火力網(wǎng)絡(luò)，將單光子系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)當(dāng)成目標(biāo)探測系統(tǒng)，可以對所設(shè)置位置的任意一點發(fā)射導(dǎo)彈，進行目標(biāo)跟蹤定位，真實實現(xiàn)意義上的“全球感知，全球打擊”。

3 量子加密

量子通信其實是利用量子力學(xué)的性質(zhì)來對原先傳統(tǒng)的通信方式和內(nèi)容進行加密的過程，并不是利用光子來進行通信的，目前的通信方式依然是光纖通信，所以量子通信通常也被稱為是量子加密[4]。

對于日常生活中的一些信號信息，在傳播的過程中也許不需要對其信息全部加密，但是如果信號內(nèi)容涉及到個人隱私信息或者涉及到個人財產(chǎn)信息，甚至涉及到軍事領(lǐng)域方面的信息，必然要采取加密的手段進行處理，如果被敵軍或者不法人員截獲到這樣的信息，后果將難以想象。比如：在第二次世界大戰(zhàn)時期，日本海軍方面各個部門均有自己的一套密碼本，但是被美軍截獲到日本海軍的密碼本，并且破譯了日本海軍的軍事機密，導(dǎo)致日本海軍總司令的行蹤被發(fā)現(xiàn)，并且日本海軍的行動成為透明[5]。

從這點看出通信加密是非常重要的，物理學(xué)家就想到用光量子來對通信的內(nèi)容進行加密，光量子通信技術(shù)主要是利用了光量子通信的三個性質(zhì)，這三個性質(zhì)分別是測不準(zhǔn)原理、單個量子不可克隆原理、單個光子不可再分。也是由于這三個性質(zhì)，就算通信內(nèi)容被不法分子或者敵軍截獲，這些人也沒有辦法對光量子加密后的信息進行處理，更談不上對其信息進行破譯了[6]。

4 總結(jié)

正是基于量子信息加密的安全和高效，成為近幾年來國際軍事領(lǐng)域探討的主要話題之一。2016年8月16日，世界第一顆量子通信衛(wèi)星墨子號發(fā)射成功，2017年9月29日，世界首條量子保密通信干線——“京滬干線”正式開通。結(jié)合“京滬干線”與“墨子號”的天地鏈路，我國的科研人員成功突破洲際量子保密通信這個技術(shù)難題。這一成功的通信標(biāo)志著我國在全球范圍內(nèi)已經(jīng)構(gòu)建了第一個地空一體化量子通信網(wǎng)絡(luò)的雛形，為未來實現(xiàn)全球范圍內(nèi)量子保密通信奠定了堅實的基礎(chǔ)?！熬删€”項目在2013年7月時立項，到2017年8月底，在合肥已經(jīng)完成了全網(wǎng)的驗收?！熬删€”建成后就實現(xiàn)了從北京到上海，且貫穿濟南、合肥整條全長二千多公里的加密量子通信覆蓋網(wǎng)，并且可以通過北京方面的接入點實現(xiàn)了與“墨子號”的成功對接，這對我國未來構(gòu)建量子加密網(wǎng)絡(luò)全球覆蓋奠定了堅實的基礎(chǔ)，為我國國防事業(yè)的安全提供了基礎(chǔ)支持和安全保障。