量子通信技術(shù)發(fā)展及軍用應(yīng)用前景

本科課程論文課程名稱：軍事通信基礎(chǔ)學(xué)員:李釗學(xué)號(hào)：201109060360培養(yǎng)類型：“4+1”合訓(xùn)年級(jí)：2011級(jí)專業(yè)：應(yīng)用物理所屬學(xué)院：九院指導(dǎo)教員：秦長(zhǎng)江職稱：講師教室：305-106上交日期：2014.03.25國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)訓(xùn)練部制量子通信技術(shù)發(fā)展及軍用應(yīng)用前景摘要：軍事通信是現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)的核心之一，高效且安全的軍事通信是確保打贏信息化戰(zhàn)爭(zhēng)的重要前提，因此，要保證軍事通信安全就顯得尤為必要。本文簡(jiǎn)要介紹了量子通信的特點(diǎn)及發(fā)展現(xiàn)狀,展望了量子通信的應(yīng)用前景。關(guān)鍵詞：軍事通信量子通信應(yīng)用前景1991年爆發(fā)的海灣戰(zhàn)爭(zhēng)使全世界第一次驚嘆信息和信息系統(tǒng)在戰(zhàn)爭(zhēng)中的關(guān)鍵作用。時(shí)隔10年,2001年爆發(fā)的阿富汗戰(zhàn)爭(zhēng)又首次向全世界顯示了網(wǎng)絡(luò)的威力,在此期間還有北約對(duì)科索沃的空襲。這幾次局部戰(zhàn)爭(zhēng)都證明了,可靠的通信是贏得勝利的基礎(chǔ),“仗靠三軍打、勝由信息通”的道理已為世人所接受。軍事通信是現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)的核心，我軍要實(shí)現(xiàn)跨越式發(fā)展、打贏信息化戰(zhàn)爭(zhēng)，首先就要提高軍事通信能力。目前，軍事通信有衛(wèi)星通信、視頻通信等等。然而在所有的軍事通信技術(shù)中顯然安全是軍事通信的第一要求,而量子通信可以做到絕對(duì)安全。量子通信是面向未來(lái)的全新通信技術(shù),在安全性、高效性方面具有經(jīng)典通信無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì),它對(duì)未來(lái)軍事通信發(fā)展的影響不可估量。目前，量子通信尚無(wú)嚴(yán)格的定義。物理上，量子通信可以被理解為在物理極限下，利用量子效應(yīng)實(shí)現(xiàn)的高性能通信。信息學(xué)上，我們則認(rèn)為量子通信是利用量子力學(xué)的基本原理（如量子態(tài)不可克隆原理和量子態(tài)的測(cè)量塌縮性質(zhì)等）或者利用量子態(tài)隱形傳輸?shù)攘孔酉到y(tǒng)特有屬性，以及量子測(cè)量的方法來(lái)完成兩地之間的信息傳遞。量子通信有如下主要特點(diǎn):(1)信息效率高量子信道中光量子的信息效率比經(jīng)典信道中光子的信息效率要高幾十倍。(2)在同等條件下,獲得可靠通信所需信噪比低。（3)量子隱形傳態(tài)非局域性,且與傳播媒質(zhì)無(wú)關(guān)。在對(duì)量子糾纏對(duì)中的一個(gè)光量子進(jìn)行操作的同時(shí),另外一個(gè)處于糾纏態(tài)的量子的態(tài)也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化,這說(shuō)明作為信息載體的物理量子本身并沒(méi)有被傳送,所送的是量子的態(tài)。（4)具有竊讀可知性,通信保密性好。根據(jù)量子不可克隆的特點(diǎn),信息的量子比特或量子位一經(jīng)檢測(cè)就會(huì)產(chǎn)生不可還原的改變。用量子位傳遞加密信息若在到達(dá)預(yù)定接收者之前途中被竊取,預(yù)定接收者肯定能夠發(fā)現(xiàn)。（5)無(wú)電磁波輻射,通信隱蔽性好。量子通信是沒(méi)有經(jīng)典意義上的電磁輻射的,無(wú)論現(xiàn)有的無(wú)線電探測(cè)系統(tǒng)性能如何先進(jìn),對(duì)量子通信這種完全電磁靜默的通信目標(biāo)是無(wú)能為力的。所以量子通信是隱身通信的極好選擇。由量子通信的特點(diǎn)所決定,軍用量子通信的應(yīng)用前景十分廣闊。（一）軍事信息系統(tǒng)中的應(yīng)用軍事信息系統(tǒng)需要高速率、大容量傳輸處理及按需共享能力。量子技術(shù)的信息傳輸處理與計(jì)算能力是經(jīng)典通信無(wú)法比擬的。量子通信的超大信道容量、超高通信速率和特高的信息高效率,正好能滿足軍事信息系統(tǒng)的特殊要求。軍事信息系統(tǒng)需要高效的指揮控制能力。而量子特性在提高運(yùn)算速度和增大信息容量等方面,可突破現(xiàn)有經(jīng)典信息系統(tǒng)的極限,滿足高效控制指揮及決策的需要。軍事信息系統(tǒng)需要有極強(qiáng)的信息分析綜合能力?；诹孔討B(tài)疊加理論,可以用量子疊加方式來(lái)處理信息,可在幾分之一秒內(nèi)實(shí)現(xiàn)1000位數(shù)的因式分解,這不僅使經(jīng)典密碼無(wú)密可保,而且可實(shí)現(xiàn)對(duì)偵察情報(bào)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)分析與綜合,完全滿足軍事信息系統(tǒng)對(duì)信息分析綜合及決策的需求。(二)用于隱蔽通信通信隱身的關(guān)鍵之一是要降低電磁輻射,而經(jīng)典通信都要依靠電磁波來(lái)傳輸信號(hào),特別是遠(yuǎn)程無(wú)線通信需要輻射很強(qiáng)的電磁波,即便是激光通信,尤其是空間激光通信,也要輻射很強(qiáng)的光波,這就破壞了通信隱身?xiàng)l件。但光量子通信既無(wú)電磁波輻射,也無(wú)強(qiáng)光波輻射,這就為通信隱身提供了電磁靜默環(huán)境。敵方無(wú)從知曉是否在通信以及通信者的位置,使通信真正實(shí)現(xiàn)了隱蔽。這對(duì)軍事通信是十分重要的。(三)用于信息對(duì)抗由于光量子密碼具有竊聽(tīng)可知性,它的這一特性將使網(wǎng)絡(luò)信息安全出現(xiàn)劃時(shí)代的革命,而且光量子加密設(shè)備可與現(xiàn)在的光纖通信設(shè)備融合,制成目前光纖通信的換代端機(jī),用此來(lái)改進(jìn)目前軍用光網(wǎng)信息傳輸保密性,從而提高信息保護(hù)能力。絕對(duì)安全的密碼也需要有安全的傳輸手段來(lái)保證其傳輸?shù)陌踩?光量子通信沒(méi)有電磁輻射,也沒(méi)有強(qiáng)光輻射,敵方難以截獲和破壞我方密碼,從而確保了信息傳輸?shù)陌踩?四)用于對(duì)潛通信量子通信是一種不同于傳統(tǒng)波通信的新概念通信,與其他傳統(tǒng)通信技術(shù)相比,在對(duì)潛通信上有一些特殊的優(yōu)點(diǎn)。在同等條件下,量子通信獲得可靠通信所需的信噪比比其他通信手段要低30到40dB左右。這一點(diǎn)對(duì)遠(yuǎn)洋深海通信極為重要。深海中無(wú)論是電信號(hào)還是光信號(hào)的信噪比都很高。所以,能獲得可靠通信而只需很低信噪比的通信手段,對(duì)深海通信無(wú)疑是具有深遠(yuǎn)意義的。將光量子通信技術(shù)用于對(duì)潛通信,不僅是解決對(duì)潛通信的瓶頸的急需,而且是對(duì)現(xiàn)代對(duì)潛通信概念、理論和技術(shù)的重大創(chuàng)新。光量子通信手段在對(duì)潛通信中的應(yīng)用,對(duì)提高我海軍的綜合作戰(zhàn)能力,打贏非對(duì)稱高技術(shù)戰(zhàn)爭(zhēng)具有十分重大的戰(zhàn)略意義。縱觀國(guó)內(nèi)外,量子通訊的發(fā)展突飛猛進(jìn),各國(guó)都投入了大量的力量進(jìn)行研究,以期能夠在未來(lái)的軍事斗爭(zhēng)中搶占住新的制高點(diǎn)。在國(guó)外，美國(guó)在2002年年底制定的十年發(fā)展規(guī)劃中,已明確:到2012年發(fā)展一套可行的帶有足夠復(fù)雜度的量子計(jì)算技術(shù),以其充當(dāng)量子計(jì)算檢測(cè)平臺(tái)的功能,在這個(gè)平臺(tái)之上去探索量子計(jì)算機(jī)的構(gòu)建及算法等問(wèn)題。布什總統(tǒng)又在2006年1月31日的國(guó)情咨文中宣布了美國(guó)競(jìng)爭(zhēng)力計(jì)劃(ACI)。在該計(jì)劃中第4項(xiàng)就是突破技術(shù)障礙,實(shí)現(xiàn)量子信息處理技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用,并確定該項(xiàng)目將由能源部、國(guó)家科學(xué)基金委員會(huì)、國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)局負(fù)責(zé)。美國(guó)全國(guó)科學(xué)基金會(huì)投資5000萬(wàn)美元,對(duì)量子通信進(jìn)行研究;美國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局也計(jì)劃用3至5年的時(shí)間推進(jìn)這方面的研究;美國(guó)IBM和AT&T都在積極承擔(dān)這一技術(shù)的研究工作。2000年,日本將量子通信技術(shù)作為一項(xiàng)國(guó)家級(jí)高技術(shù)列入開(kāi)發(fā)計(jì)劃,10年內(nèi)投資400多億日元,主要研究光量子密碼及光量子信息傳輸技術(shù)。日本郵政省的目標(biāo)是,在2020到2030年前后使量子保密通信網(wǎng)絡(luò)和量子通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)達(dá)到實(shí)用化的水平。歐洲也成立了以英國(guó)、法國(guó)、德國(guó)、意大利、奧地利和西班牙等國(guó)在內(nèi)的量子信息物理學(xué)研究網(wǎng)。這是繼歐洲核子中心和航天技術(shù)的國(guó)際合作之后,又一大規(guī)模的針對(duì)科技重大問(wèn)題的國(guó)際合作,并于1999年建立了集中12個(gè)研究項(xiàng)目的國(guó)際財(cái)團(tuán)。在國(guó)內(nèi),量子通信方面的理論研究起步雖然相對(duì)滯后，但在實(shí)驗(yàn)上與國(guó)外幾乎同步進(jìn)行。1995年，中國(guó)科學(xué)院物理所首次以BB84協(xié)議方案在國(guó)內(nèi)完成了演示實(shí)驗(yàn)。2000年中科院物理研究所和中科院研究生院合作完成了國(guó)內(nèi)第一個(gè)850nm波長(zhǎng)全光纖1.1km量子保密通信實(shí)驗(yàn)。2003年，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)中科院量子通信重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室成功地在校園內(nèi)鋪設(shè)了總長(zhǎng)為3.2km的量子通信系統(tǒng)。2005年中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)郭光燦院士領(lǐng)導(dǎo)的科研小組，通過(guò)現(xiàn)有光纜線路在北京和天津之間實(shí)現(xiàn)了125km量子通信原理性實(shí)驗(yàn)。2006年中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉教授領(lǐng)導(dǎo)的科研小組，利用糾纏光子對(duì)實(shí)現(xiàn)了不受外界干擾的量子密碼傳輸。2007年3月，郭光燦小組在北京網(wǎng)通建立了有4個(gè)用戶的量子密碼通信網(wǎng)絡(luò)，用戶間最短距離32km，最長(zhǎng)距離42.6km。2008年10月，潘建偉小組構(gòu)建了基于商用光纖和誘騙態(tài)相位編碼的3節(jié)點(diǎn)量子通信網(wǎng)絡(luò)，節(jié)點(diǎn)間距離20km，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)通話和3方對(duì)講功能。值得指出的是，這一成果的發(fā)布早于歐洲科學(xué)家發(fā)布的量子通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，使得潘建偉小組成為國(guó)際上報(bào)道的兩個(gè)嚴(yán)格安全的實(shí)用化量子通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)研究小組之一。在基于傳統(tǒng)技術(shù)(包括現(xiàn)代電子技術(shù))的武器裝備方面,我們落后于西方強(qiáng)國(guó)。究其原因,是我們?cè)谶@些技術(shù)的基礎(chǔ)研究階段就開(kāi)始落后,因此很難搶占到技術(shù)的制高點(diǎn)。量子技術(shù)是新興的技術(shù),目前仍然處于基礎(chǔ)研究階段。對(duì)此,我國(guó)起步