費(fèi)禮，陳苗，陳思井，任繼剛，周金榮

(1. 中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七二二研究所，湖北 武漢 430205；2. 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)，安徽 合肥 230026)

0 引 言

隨著量子計(jì)算技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)有的非對(duì)稱公鑰密碼等依靠計(jì)算復(fù)雜度保證安全的經(jīng)典密碼體系面臨被量子計(jì)算機(jī)破解的威脅。量子密鑰分發(fā)技術(shù)基于量子物理基本原理，在物理層面上保障了量子密碼的絕對(duì)安全，如果結(jié)合“一次一密”加密方式，可實(shí)現(xiàn)理論上無(wú)條件的安全通信[1]。當(dāng)前，量子密鑰分發(fā)技術(shù)快速發(fā)展，我國(guó)在該領(lǐng)域的研究處于世界前列。近年來(lái)，以中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)為代表的研究團(tuán)隊(duì)，在國(guó)際上率先建立了城際光纖量子干線（京滬干線、合武干線），實(shí)現(xiàn)了量子保密通信的商業(yè)化試用；發(fā)射了全球第一顆量子實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星（“墨子”號(hào)），成功開(kāi)展了星地量子密鑰分發(fā)實(shí)驗(yàn)和“北京－維也納”洲際量子保密通信[2]。

海上艦艇、飛機(jī)、固定平臺(tái)甚至島礁等與大陸相隔較遠(yuǎn)，多依靠無(wú)線手段或海底光纜進(jìn)行通信[3]，通信安全問(wèn)題一直受到重點(diǎn)關(guān)注。其中，密鑰分發(fā)安全是通信安全的重要一環(huán)。竊密者往往通過(guò)各種手段監(jiān)聽(tīng)通信線路上的信息，從而破解密鑰。美國(guó)軍方曾研制出“吉米·卡特”號(hào)核潛艇，于2005年3月服役后便一直執(zhí)行竊聽(tīng)海底光纜信息的任務(wù)，通信雙方難以感知到竊聽(tīng)存在。對(duì)于無(wú)線通信手段，由于其本身的廣播特性，更易被竊聽(tīng)，世界各國(guó)建立有多個(gè)監(jiān)聽(tīng)站進(jìn)行無(wú)線信號(hào)的竊聽(tīng)工作。此外，依靠人工定期運(yùn)送密

鑰的方式在時(shí)效性、保障能力等方面都有局限，在和平年代可以采用，但在戰(zhàn)爭(zhēng)條件下往往難以達(dá)成保障目的和滿足密鑰實(shí)時(shí)更新要求。因此，針對(duì)海上平臺(tái)的通信特點(diǎn)，更加需要使用量子密鑰分發(fā)手段進(jìn)一步提高密鑰分發(fā)的安全性，但目前尚未見(jiàn)相關(guān)研究報(bào)道。本文以當(dāng)前量子密鑰分發(fā)技術(shù)的發(fā)展為基礎(chǔ)，重點(diǎn)研究其在海上平臺(tái)的應(yīng)用方式和與應(yīng)用相關(guān)的技術(shù)問(wèn)題，提出海上平臺(tái)量子密鑰分發(fā)技術(shù)應(yīng)用構(gòu)想和未來(lái)技術(shù)發(fā)展方向，為后續(xù)裝備技術(shù)發(fā)展提供參考。

1 量子密鑰分發(fā)技術(shù)概要

1.1 量子密鑰分發(fā)技術(shù)原理

目前的密碼體制是構(gòu)造一系列數(shù)學(xué)難解問(wèn)題，公開(kāi)一些中間信息，通信雙方通過(guò)一定算法計(jì)算出密鑰，從而保證密鑰分發(fā)安全。竊密者即使獲得中間信息，但由于缺失算法和其他關(guān)鍵信息，在有限的時(shí)間和資源內(nèi)難以反向求解出密鑰。但是，隨著量子計(jì)算技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)的并行計(jì)算能力將獲得大幅提升，原先需要耗費(fèi)很長(zhǎng)時(shí)間和很多資源的破解難題，在未來(lái)可能會(huì)很容易地被解算出來(lái)，致使依靠計(jì)算安全的密鑰分發(fā)方式不再安全，并且通信雙方難以察覺(jué)竊聽(tīng)和密鑰破解行為。

量子密鑰分發(fā)技術(shù)起源于1984年IBM實(shí)驗(yàn)室的Bennett和加拿大蒙特利爾大學(xué)的Brassard共同提出的量子密鑰分發(fā)協(xié)議，即著名的BB84協(xié)議[4]。量子密鑰分發(fā)技術(shù)改變以往依靠計(jì)算復(fù)雜度保證密鑰分發(fā)安全的做法，轉(zhuǎn)而采用物理方法規(guī)避量子暴力解算威脅，通信雙方以量子態(tài)作為信息載體，通過(guò)光量子信道傳輸，并利用經(jīng)典信道協(xié)商得出密鑰。它利用量子力學(xué)的海森堡不確定性原理，使竊聽(tīng)者在不知道發(fā)送方編碼基的情況下無(wú)法準(zhǔn)確測(cè)量獲得量子態(tài)的信息；利用量子態(tài)不可克隆定理，使竊聽(tīng)者無(wú)法復(fù)制一份量子態(tài)以在得知編碼基后進(jìn)行測(cè)量，從而使得竊聽(tīng)會(huì)導(dǎo)致明顯誤碼，以被通信雙方察覺(jué)。使用該方式獲得密鑰后，從原理上說(shuō)，通信雙方可采用現(xiàn)有成熟的多種加密方法對(duì)明文進(jìn)行加密傳輸。

根據(jù)量子密鑰分發(fā)的基本原理，它規(guī)避了量子暴力解算威脅，并通過(guò)量子力學(xué)的各種物理定律使得密鑰分發(fā)過(guò)程中的竊聽(tīng)行為會(huì)被通信雙方察覺(jué)，進(jìn)而通信雙方可以采取中斷通信、反竊聽(tīng)、重新分發(fā)密鑰等多種手段反制。而現(xiàn)有依靠計(jì)算安全的密鑰分發(fā)方法難以做到這一點(diǎn)，通信雙方很有可能陷入繼續(xù)使用被破解密鑰的不利局面。

1.2 基于光纖的量子密鑰分發(fā)技術(shù)發(fā)展

量子密鑰分發(fā)技術(shù)首先在光纖介質(zhì)中得到發(fā)展，并向?qū)嵱没七M(jìn)。從1991年開(kāi)始，世界各國(guó)的科學(xué)家就在光纖中研究量子密鑰分發(fā)技術(shù)，不斷提升光纖量子密鑰分發(fā)的距離以及其實(shí)際安全性。2005年，王向斌等[5-6]提出了經(jīng)過(guò)嚴(yán)格理論分析的誘騙態(tài)方案，使得實(shí)際中量子密鑰分發(fā)技術(shù)的安全性得以大幅提升。2007年，潘建偉團(tuán)隊(duì)[7]和美國(guó)洛斯阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室[8]分別完成了超過(guò)100 km的誘騙態(tài)量子密鑰分發(fā)實(shí)驗(yàn)，由此打開(kāi)了量子密鑰分發(fā)走向?qū)嵱玫拇箝T。

經(jīng)過(guò)十余年的發(fā)展，基于光纖的量子密鑰分發(fā)技術(shù)日益成熟，從局域向廣域發(fā)展，已初步具備了實(shí)用化條件。國(guó)內(nèi)外建成了多個(gè)量子密鑰分發(fā)光纖實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)，但我國(guó)在實(shí)用化方面領(lǐng)先一步。

1.3 自由空間量子密鑰分發(fā)技術(shù)發(fā)展

隨著量子密鑰分發(fā)技術(shù)實(shí)用化水平的提高，其將逐漸從城域向城際、廣域甚至洲際方向發(fā)展。由于光纖中存在較大的固有衰減（0.2 dB/km），使得千千米級(jí)直接量子密鑰分發(fā)幾乎不可能。而目前尚無(wú)實(shí)用化的量子中繼器，且偏遠(yuǎn)地區(qū)、海外節(jié)點(diǎn)、移動(dòng)平臺(tái)等難以鋪設(shè)光纖鏈路，更遠(yuǎn)距離的量子密鑰分發(fā)需要采用自由空間鏈路實(shí)現(xiàn)。

2007年，奧地利的Zeilinger團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了2個(gè)島嶼間距離為144 km的自由空間量子密鑰分發(fā)實(shí)驗(yàn)[9]。2005-2013年，潘建偉團(tuán)隊(duì)做了多項(xiàng)自由空間量子密鑰分發(fā)實(shí)驗(yàn)，特別是驗(yàn)證了單光子以及糾纏光子星地間量子信道的傳輸特性、證明了星地量子密鑰分發(fā)的可行性，將自由空間量子密鑰分發(fā)技術(shù)拓展到了基于衛(wèi)星的廣域分發(fā)范疇[10]。2016年8月，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)、中科院上海技術(shù)物理所、中科院上海小衛(wèi)星中心聯(lián)合研制的全球首顆量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星——“墨子”號(hào)發(fā)射升空，經(jīng)過(guò)在軌測(cè)試，投入使用。2017年，依托“墨子”衛(wèi)星和地面光學(xué)望遠(yuǎn)鏡及量子密鑰接收設(shè)備，我國(guó)實(shí)現(xiàn)了國(guó)際上首次超過(guò)1 200 km的星地量子密鑰分發(fā)，成碼率達(dá)到1kbps[11]，并依托該衛(wèi)星分發(fā)的密鑰，成功實(shí)現(xiàn)了北京和奧地利之間的洲際量子保密通信。

當(dāng)前，世界上僅我國(guó)發(fā)射了量子衛(wèi)星，在基于衛(wèi)星的量子密鑰分發(fā)技術(shù)方面，我國(guó)處于領(lǐng)先地位。對(duì)于遠(yuǎn)距離節(jié)點(diǎn)、偏遠(yuǎn)地區(qū)、移動(dòng)節(jié)點(diǎn)或是其它不適宜鋪設(shè)光纖的區(qū)域來(lái)說(shuō)，基于衛(wèi)星的量子密鑰分發(fā)技術(shù)具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，能夠滿足上述地區(qū)或節(jié)點(diǎn)的安全密鑰分發(fā)要求。

2 海上平臺(tái)應(yīng)用構(gòu)想

通過(guò)分析量子密鑰分發(fā)技術(shù)的發(fā)展，可以看出，未來(lái)其將向著光纖有線分發(fā)和以衛(wèi)星為主的自由空間分發(fā)2個(gè)方向發(fā)展?；诠饫w的量子密鑰分發(fā)技術(shù)成熟度相對(duì)較高，其建設(shè)運(yùn)行依賴于構(gòu)建光纖基礎(chǔ)設(shè)施。以衛(wèi)星為主的自由空間量子密鑰分發(fā)雖然還處于演示驗(yàn)證階段，但其通信距離遠(yuǎn)、覆蓋范圍大、不受基礎(chǔ)設(shè)施制約，未來(lái)應(yīng)用前景廣闊。在我國(guó)經(jīng)濟(jì)、國(guó)防等相關(guān)發(fā)展戰(zhàn)略的牽引下，針對(duì)大量海上艦艇、飛機(jī)、固定平臺(tái)甚至島礁的保密通信需求，采用基于衛(wèi)星的量子密鑰分發(fā)技術(shù)，能夠匹配海上平臺(tái)活動(dòng)區(qū)域大、機(jī)動(dòng)性強(qiáng)、無(wú)基礎(chǔ)設(shè)施依托等應(yīng)用特點(diǎn)，將能較大幅度提升海上平臺(tái)的通信保密性。根據(jù)不同應(yīng)用需求，主要的應(yīng)用場(chǎng)景構(gòu)想有海上跨域遠(yuǎn)程應(yīng)用、海上編隊(duì)內(nèi)近距離應(yīng)用、水下及跨介質(zhì)應(yīng)用。

2.1 海上跨域遠(yuǎn)程應(yīng)用

艦船航行于茫茫大海上，需要采用量子衛(wèi)星保障其與岸基或其他遠(yuǎn)距離艦船等的保密通信，可能的保障模式主要有低軌衛(wèi)星保障、中高軌衛(wèi)星保障和星座組網(wǎng)保障等。

2.1.1 低軌衛(wèi)星保障模式

目前的“墨子”衛(wèi)星就是1顆低軌衛(wèi)星，這種保障模式與目前進(jìn)行科學(xué)實(shí)驗(yàn)時(shí)采用的模式基本一致，主要是在低軌衛(wèi)星過(guò)境時(shí)分發(fā)密鑰，而后基于分發(fā)的密鑰進(jìn)行加密通信。以岸艦通信為例，在收到任務(wù)需求后，基于低軌衛(wèi)星量子密鑰分發(fā)的通信過(guò)程分為4個(gè)步驟，如圖1所示。

圖 1 基于低軌衛(wèi)星的海上跨域遠(yuǎn)程量子保密通信應(yīng)用場(chǎng)景（以岸艦通信為例）Fig. 1Cross domain overseas quantum secret communication application based on LEO satellite （between land and warship for example）

1）星地量子密鑰分發(fā)。當(dāng)量子衛(wèi)星運(yùn)轉(zhuǎn)至地面站上空時(shí)，通過(guò)光量子信道向地面站傳輸量子信息，采用經(jīng)典信道與地面站進(jìn)行協(xié)商后，星地間獲得相同密鑰（K1）。

2）星海量子密鑰分發(fā)。當(dāng)量子衛(wèi)星運(yùn)轉(zhuǎn)至艦船上空時(shí)，通過(guò)光量子信道向艦船傳輸量子信息，采用經(jīng)典信道與艦船進(jìn)行協(xié)商后，星艦間獲得相同密鑰（K2）。

3）岸海間密鑰共享。量子衛(wèi)星使用星艦密鑰（K2）對(duì)星地密鑰（K1）進(jìn)行加密，經(jīng)經(jīng)典信道傳輸至艦船，艦船解密后獲得地面站密鑰（K1）。

4）岸海間量子保密通信。地面站和艦船均使用地面站的量子密鑰（K1）加密明文信息進(jìn)行通信。

當(dāng)前，為克服背景光影響，量子密鑰分發(fā)在夜晚進(jìn)行，低軌衛(wèi)星大約每天夜晚過(guò)境一次，但每次過(guò)境時(shí)間較短，約為10 mm（以“墨子”衛(wèi)星為例），衛(wèi)星量子密鑰分發(fā)速率處于kbps級(jí)別，假設(shè)一半過(guò)境時(shí)間用于量子密鑰分發(fā)，一次分發(fā)的密鑰量約有300 kbit。目前數(shù)據(jù)通信典型密鑰長(zhǎng)度為數(shù)十字節(jié)，假設(shè)每天更換一次，上述密鑰量可使用數(shù)年，若是每小時(shí)更換一次，也可使用約1個(gè)月。對(duì)于其它密鑰消耗更高的應(yīng)用，可利用密鑰生成擴(kuò)展算法，把量子密鑰作為種子密鑰擴(kuò)充使用。當(dāng)量子密鑰需要更新時(shí)，可以在下一次衛(wèi)星過(guò)境時(shí)重新進(jìn)行密鑰分發(fā)。

在這種應(yīng)用模式下，海上平臺(tái)需克服動(dòng)態(tài)搖擺及振動(dòng)因素影響，保證持續(xù)對(duì)準(zhǔn)衛(wèi)星并接收光量子信號(hào)；同時(shí)，受低軌衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)特性影響以及目前只能在夜晚進(jìn)行量子光檢測(cè)的約束，星地量子密鑰分發(fā)和星海量子密鑰分發(fā)一般是分2個(gè)夜晚進(jìn)行，一次完整的量子保密通信持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，過(guò)程較繁瑣，會(huì)給實(shí)際應(yīng)用效果和用戶感受帶來(lái)一定不利影響，但低軌衛(wèi)星研制發(fā)射周期短、成本較低，易于部署。

2.1.2 中高軌衛(wèi)星保障模式

基于中高軌衛(wèi)星量子密鑰分發(fā)的通信過(guò)程與低軌衛(wèi)星類似，但與低軌衛(wèi)星相比，中高軌衛(wèi)星覆蓋范圍大、過(guò)境時(shí)間長(zhǎng)，其量子密鑰分發(fā)保障能力將大幅提升。特別是，地球靜止軌道衛(wèi)星與地球相對(duì)靜止，可固定覆蓋一定區(qū)域，適用于對(duì)重點(diǎn)區(qū)域或重點(diǎn)任務(wù)的量子密鑰分發(fā)保障。以岸艦通信為例，當(dāng)量子衛(wèi)星收到任務(wù)指令后，隨即調(diào)整星上量子載荷及經(jīng)典通信載荷對(duì)覆蓋區(qū)內(nèi)的艦船、岸基等進(jìn)行量子密鑰分發(fā)及共享，從而實(shí)現(xiàn)岸艦量子保密通信（見(jiàn)圖2）。

圖 2 基于中高軌衛(wèi)星的海上跨域遠(yuǎn)程量子保密通信應(yīng)用場(chǎng)景（以岸艦通信為例）Fig. 2Cross domain overseas quantum secret communication application based on medium or high orbit satellite （between land and warship for example）

這種應(yīng)用模式過(guò)程簡(jiǎn)潔、持續(xù)時(shí)間短，但是中高軌衛(wèi)星發(fā)射的量子光束經(jīng)歷路徑較長(zhǎng)，導(dǎo)致光斑發(fā)散增大、接收光子數(shù)減少、密鑰分發(fā)速率降低，需采用多種技術(shù)進(jìn)行補(bǔ)償，增加了系統(tǒng)復(fù)雜度。同時(shí)，海上平臺(tái)依然需要克服動(dòng)態(tài)搖擺及振動(dòng)因素影響，以及背景光對(duì)量子光信號(hào)接收的影響。

2.1.3 星座組網(wǎng)保障模式

考慮未來(lái)海上多目標(biāo)多時(shí)段量子保密通信需求，依靠單顆衛(wèi)星難以保障量子密鑰分發(fā)?？梢?guī)劃發(fā)射多顆量子衛(wèi)星組成量子星座，提高量子密鑰分發(fā)覆蓋率，并研究多衛(wèi)星多用戶組織使用模式，通過(guò)中繼的方式，保證大范圍實(shí)時(shí)的量子密鑰分發(fā)。當(dāng)采用星座組網(wǎng)保障模式時(shí)，各衛(wèi)星對(duì)自己覆蓋范圍內(nèi)的海上或岸上節(jié)點(diǎn)進(jìn)行量子密鑰分發(fā)，而后通過(guò)量子星座網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行密鑰中繼和共享（見(jiàn)圖3），具體過(guò)程與前兩種保障模式類似。

圖 3 基于星座組網(wǎng)的海上跨域遠(yuǎn)程量子保密通信應(yīng)用場(chǎng)景Fig. 3Cross domain overseas quantum secret communication application based on satellite constellation network

需要注意的是，上述海上跨域遠(yuǎn)程應(yīng)用模式中，量子衛(wèi)星被看作是一個(gè)“可信中繼”，存儲(chǔ)著通信雙方的密鑰，從而實(shí)現(xiàn)密鑰共享。實(shí)際上，由于衛(wèi)星在外太空，且可以通過(guò)多種手段將量子衛(wèi)星與其它網(wǎng)絡(luò)物理隔離或邏輯隔離，因此可以認(rèn)為采用量子衛(wèi)星中繼密鑰是安全的。

2.2 海上編隊(duì)內(nèi)近距離應(yīng)用

隨著未來(lái)海上聯(lián)合作戰(zhàn)模式的發(fā)展，海上艦艇、飛機(jī)等大量移動(dòng)平臺(tái)將組成編隊(duì)協(xié)同遂行作戰(zhàn)任務(wù)，海上編隊(duì)信息安全共享需求迫切。針對(duì)海上編隊(duì)量子保密通信應(yīng)用場(chǎng)景，可以不依賴于衛(wèi)星等中間媒介，各艦艇、飛機(jī)等移動(dòng)平臺(tái)組成量子網(wǎng)絡(luò)，在編隊(duì)內(nèi)進(jìn)行量子密鑰分發(fā)和共享，保證更高安全的通信。

典型的海上編隊(duì)量子密鑰分發(fā)模式如圖4所示。在編隊(duì)內(nèi)部，選取指揮艦為核心節(jié)點(diǎn)（類似于海上跨域遠(yuǎn)程應(yīng)用中的量子衛(wèi)星），指揮艦與其他艦艇、飛機(jī)間逐個(gè)進(jìn)行量子密鑰分發(fā)，獲得若干密鑰。當(dāng)指揮艦需與其他艦艇、飛機(jī)通信時(shí)，采用對(duì)應(yīng)的密鑰進(jìn)行加密通信。

圖 4 海上編隊(duì)近距離量子密鑰分發(fā)應(yīng)用場(chǎng)景Fig. 4Close-range inside fleet QKD application

當(dāng)各艦艇、飛機(jī)間需互相通信時(shí)，由于各節(jié)點(diǎn)僅與指揮艦保有相同密鑰，各節(jié)點(diǎn)間沒(méi)有相同密鑰，發(fā)送方（A）和接收方（B）可采用以下3種方法進(jìn)行通信：

方法1 指揮艦在收發(fā)雙方間進(jìn)行信息中繼，A用與指揮艦通信的密鑰將信息加密后發(fā)送給指揮艦，指揮艦解出后用與B通信的密鑰加密后轉(zhuǎn)發(fā)至B；

方法2 指揮艦在收放雙方間進(jìn)行密鑰共享，指揮艦用與A通信的密鑰加密B的密鑰發(fā)送至A，A收到后解出B的密鑰，進(jìn)而A采用B的密鑰加密信息發(fā)送給B（反之亦可）；

方法3 收放雙方臨時(shí)性地進(jìn)行量子密鑰分發(fā)，進(jìn)而用分發(fā)獲得的密鑰直接通信。

實(shí)際應(yīng)用中選取哪種方法應(yīng)根據(jù)編隊(duì)具體通信需求而定。此外，為保證網(wǎng)絡(luò)的魯棒性，除指揮艦外可在編隊(duì)內(nèi)再多設(shè)置1～2個(gè)備用核心節(jié)點(diǎn)，同時(shí)核心節(jié)點(diǎn)應(yīng)具備與量子衛(wèi)星進(jìn)行遠(yuǎn)程量子密鑰分發(fā)的能力，以實(shí)現(xiàn)編隊(duì)內(nèi)節(jié)點(diǎn)對(duì)外量子保密通信。需要注意的是，海上編隊(duì)內(nèi)的量子密鑰分發(fā)受海況影響更加劇烈，需要在收發(fā)雙方均處于不規(guī)律動(dòng)態(tài)擾動(dòng)以及海上云霧遮擋條件下進(jìn)行光量子信息接收探測(cè)，需依托對(duì)激光通信等技術(shù)的研究進(jìn)一步開(kāi)展技術(shù)突破。

2.3 水下及跨介質(zhì)應(yīng)用

目前，上海交大研究團(tuán)隊(duì)已開(kāi)展了水下量子密鑰分發(fā)實(shí)驗(yàn)[12]，分發(fā)距離約2 m，尚不具備實(shí)用條件，但可作為水下應(yīng)用的技術(shù)基礎(chǔ)。水下海域是未來(lái)海上博弈的重要區(qū)域，但是水下通信的安全保密性一直有所欠缺。依托水下藍(lán)綠激光通信技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，預(yù)期將來(lái)可在無(wú)人潛航器、水下預(yù)置平臺(tái)等水下節(jié)點(diǎn)間進(jìn)行量子密鑰分發(fā)以及量子保密通信的應(yīng)用，其應(yīng)用模式與海上編隊(duì)?wèi)?yīng)用模式相似。此外，采用空基、天基平臺(tái)，結(jié)合機(jī)載、星載藍(lán)綠激光對(duì)潛通信技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，預(yù)期可以開(kāi)展跨介質(zhì)量子密鑰分發(fā)應(yīng)用，其應(yīng)用模式與海上跨域遠(yuǎn)程應(yīng)用模式類似。

整合上述3種應(yīng)用場(chǎng)景，并結(jié)合岸基骨干網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，未來(lái)可構(gòu)建起涵蓋“陸海空天潛”多維度的一體化量子密鑰分發(fā)網(wǎng)絡(luò)（見(jiàn)圖5），全面提升海上平臺(tái)通信的安全保密性。

圖 5 “陸?？仗鞚摗币惑w化量子密鑰分發(fā)網(wǎng)絡(luò)示意圖Fig. 5Land-sea-air-space-submarine integrated QKD networks

3 面向海上應(yīng)用的技術(shù)發(fā)展方向

通過(guò)分析量子密鑰分發(fā)技術(shù)在海上平臺(tái)的應(yīng)用構(gòu)想，可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)前的技術(shù)發(fā)展與未來(lái)的應(yīng)用模式尚有一定差距，需要有針對(duì)性地進(jìn)一步開(kāi)展相關(guān)技術(shù)突破。

1）量子衛(wèi)星組網(wǎng)技術(shù)。需要在突破中高軌衛(wèi)星遠(yuǎn)距離量子密鑰分發(fā)技術(shù)的基礎(chǔ)上，整合星上量子載荷和經(jīng)典通信載荷，發(fā)射地球靜止軌道量子衛(wèi)星及其它多軌道衛(wèi)星，并完成多衛(wèi)星多用戶組織使用模式等應(yīng)用問(wèn)題研究，分步驟構(gòu)建下一代量子密鑰分發(fā)業(yè)務(wù)衛(wèi)星系統(tǒng)，滿足海上平臺(tái)多海域應(yīng)用需求。

2）日光條件下量子密鑰分發(fā)技術(shù)。受背景光影響，當(dāng)前基于衛(wèi)星的自由空間量子密鑰分發(fā)僅能在夜晚進(jìn)行。需要進(jìn)一步突破背景光噪聲抑制技術(shù)，提升其背景噪聲容忍門限，逐步弱化量子密鑰分發(fā)技術(shù)的應(yīng)用限制條件，最終實(shí)現(xiàn)在日光條件下的量子密鑰分發(fā)，滿足海上平臺(tái)全時(shí)段應(yīng)用需求。

3）動(dòng)態(tài)干擾條件下量子密鑰分發(fā)技術(shù)。針對(duì)海上平臺(tái)受海況影響劇烈問(wèn)題，需要進(jìn)一步突破動(dòng)態(tài)艦船條件下自動(dòng)捕獲跟蹤技術(shù)、抗信道擾動(dòng)量子密鑰分發(fā)技術(shù)，提升不規(guī)律動(dòng)態(tài)擾動(dòng)以及海上云霧遮擋條件下進(jìn)行量子密鑰分發(fā)的能力，滿足海上平臺(tái)多海況應(yīng)用需求。

4）海水介質(zhì)中量子密鑰分發(fā)技術(shù)。需要結(jié)合水下激光通信技術(shù)研究，進(jìn)一步研究海水對(duì)光信號(hào)的衰減、吸收、散射特性，氣液交換界面的光學(xué)特性，海水介質(zhì)對(duì)光量子偏振態(tài)的影響，突破水下高精度跟蹤捕獲、偏振保持以及基矢校正技術(shù)，提升海水中量子密鑰分發(fā)速率、成碼率和距離，逐步向?qū)嵱没七M(jìn)，滿足海上平臺(tái)多區(qū)域應(yīng)用需求。

5）小型化光量子信號(hào)收發(fā)天線技術(shù)。在保證量子密鑰分發(fā)速率和成碼率的前提下，研究縮減光學(xué)望遠(yuǎn)鏡口徑、伺服機(jī)構(gòu)尺寸等，進(jìn)行光量子信號(hào)收發(fā)天線小型化設(shè)計(jì)，以使相關(guān)設(shè)備適應(yīng)艦艇安裝需要，滿足海上平臺(tái)適裝性要求。

4 結(jié) 語(yǔ)

量子密鑰分發(fā)技術(shù)能提升密鑰分發(fā)安全性，為抵御量子暴力解算威脅提供了一種有效手段。當(dāng)前量子密鑰分發(fā)技術(shù)主要有基于光纖的技術(shù)和以衛(wèi)星為主的自由空間技術(shù)。海上平臺(tái)活動(dòng)區(qū)域大、機(jī)動(dòng)性強(qiáng)、無(wú)基礎(chǔ)設(shè)施依托，采用以衛(wèi)星為主的自由空間量子密鑰分發(fā)技術(shù)能較大幅提升其通信安全保密性。通過(guò)分析海上跨域遠(yuǎn)程應(yīng)用、海上編隊(duì)內(nèi)近距離應(yīng)用、水下及跨介質(zhì)應(yīng)用等海上平臺(tái)量子密鑰分發(fā)應(yīng)用模式，提出了未來(lái)與海上應(yīng)用相關(guān)的技術(shù)發(fā)展方向，為后續(xù)裝備技術(shù)發(fā)展提供參考指導(dǎo)。