量子技术引潜艇通信革命 中国率先获突破

幽默人生

潜艇,以隐蔽性强而被称为“水下幽灵”。然而，潜艇在水下隐蔽得深也有一大缺点，很难与向其提供指令和信息的海军基地联络，也很难把信息传回基地。现在，量子技术可能会改变这一切，使下潜的潜艇能够借助激光脉冲，与卫星交换加密密码和讯息。本期特邀专家就量子技术进行详细解读。

潜艇通信已不适应信息战要求

现代海上局部战争是基于信息系统的网络中心战，要求把各种作战力量通过信息技术整合成一个网络，以提高信息的共享能力和战场态势感知能力，从而发挥信息技术在现代战争中的倍增器作用。

潜艇作为海军的重要作战力量，要发挥其隐蔽性和突然性的战术优势，必须下潜至混合层，亦即海平面以下60～100米的深度，在此深度下，声呐不容易发现潜艇。此时，潜艇同外界的联络是通过极低频或甚低频无线电通信（ELF或VLF）达成的，因为海水对极低频或甚低频无线电波衰减较小，电波可以穿透海水一定深度。

然而，极低频和甚低频无线电通信有许多弊端，已不能满足现代网络中心战的要求。首先，发信台站十分庞大，抗毁能力差；其次，潜艇必须通过拖曳天线来收信，在此情况下，为了取得较好的收信效果，潜艇不得不调整自己的方位和降低速度。第三，甚低频和极低频通信的最大缺点是带宽窄，影响了通信的速度：甚低频1秒钟能够传递几百比特的信息，而极低频每分钟只能传递几比特的信息，这势必影响了复杂数据的传递，比如视频数据。远远不能适应信息化战争对大量情报、侦察和监视数据的需要。

量子通信成为全球研究热点



量子通信是利用了光子等粒子的量子纠缠原理来实现通信的，量子通信是经典信息论和量子力学相结合的一门新兴交叉学科。量子信息学告诉人们，在微观世界里，不论两个粒子间距离多远，一个粒子的变化都会影响另一个粒子，这就是所谓的量子纠缠现象，这一现象被爱因斯坦称为“诡异的互动性”。

量子通信系统的基本部件包括量子态发生器、量子通道和量子测量装置。对于量子信息的传播，需要某种方式来促使光子产生极化现象，这样，量子状态将处于一种特定的状态下，发射器和接收器中的过滤器可以发现量子。该系统使用的是特种光子激光器，而不是常见的激光器，因为后者产生的激光是散淡的，而特种光子激光器每次产生的光子和每个光子都有特定的量子态。

与目前成熟的通信技术相比，量子通信优越性明显，具有保密性强、大容量、远距离传输等特点，成为全球物理学研究的前沿与焦点领域。

量子通信不仅在军事、国防等领域具有重要的作用，而且会极大地促进国民经济的发展，被认为是未来IT通信技术的发展方向。自1993年美国IBM的研究人员提出量子通信理论以来，美国国家科学基金会都对此项目进行了深入的研究。欧盟在1999年集中国际力量致力于量子通信的研究，研究项目多达12个。日本邮政省把量子通信作为21世纪的战略项目。我国近10年来在量子纠缠态、纠错、存储等核心领域也取得了前沿性突破，中科院于2011年启动了空间科学战略性先导科技专项，2011年10月份，我国科学家潘建伟等人在国际上首次成功实现百公里量级的自由空间量子隐形传态和纠缠分发（通俗地说，就是两个相距100公里的量子实现了信息传输），这为我国发射全球首颗“量子通讯卫星”奠定了技术基础。



量子通信在国防和军事应用方面有着无与伦比的广阔前景，可以利用量子隐形传输以及超大信道容量、超高通信速率等特点，建立满足军事特殊需求的超光速军事信息网络。由于光量子密码具有“不可破”和“不可窃听性”，且光量子加密设备可与现在的光纤通信设备融合，因此，可以用来改进目前军用光纤网络信息传输的保密性，从而提高信息保护和信息对抗能力。为了满足军方需求，英国ITT国际防务公司开展了一系列研究，其中包括量子运算法则、量子传感器和新型量子通信系统。

量子技术将带来潜艇通信革命

在很长一段时间里，风靡全球的电影及小说都是以间谍战和破译密码为主要内容，窃听、反窃听，加密、解密……很多人最关心的是，有没有绝对安全的保密通信，让窃听、破译者无计可施？第二次世界大战中，波兰人和英国人成功破译了德国著名的“恩格玛”密码，盟军由此得知了德国的许多重大军事行动；美军破译日本的高级密码——“紫密”，从而击毙了日本海军大将山本五十六，一举扭转了美军在太平洋战场的被动局面。这些都是密码攻防战中的典型战例。
目前，潜艇使用随机生成的编码或“密钥”来加密讯息。这些密钥是潜艇和联络基地在执行任务之前制作的，每个密钥只使用一次，这样一来，敌人就算破解了密钥，也无法用它来解密之后的讯息。

但是，这种做法存在一些问题。首先，它从后勤上讲是麻烦的。潜艇在执行一次长时间的任务前必须带上许许多多的密钥，而一旦潜艇遇袭，这些密钥就有可能落入敌手。此外，即便有足够多的安全密钥，潜艇和基地之间的联络速度也极慢。为了在海水传输，发射机必须使用频率极低的无线电波。这决定了每秒只能传输几个字符。在世界上其他地方(以及其他作战空间)都在进行高速联络的同时，潜艇却只能进行拨号联络。为了收发大量信息，或是快速收发信息，潜艇就必须浮出水面，这很容易使自身暴露，也很容易受到攻击。



但是，英国ITT国际防务公司的研究人员想出了一个点子。通过量子密钥分配，潜艇可以把一个密钥加密成光子(利用光子的极性来代表“1”和“0”)，从而生成一个几乎无法破解的密钥——如果有人试图拦截这些光子，就将干扰量子系统，而讯息收发者可以测得这种干扰，从而知悉有第三方正在监听。

制作好安全的密钥后，潜艇就能够——至少从理论上讲——待在水面下数百英尺的地方，通过激光向卫星发射光子，然后再由卫星把光子传回地面，到达基地。研究人员模拟展示了一种当潜艇在水下时，能够以每秒170兆字节的速率收发数据的系统。

这一技术还远远没有达到可在实战中使用的程度。但是有朝一日，它可能会实现前所未有的高速和安全的数据传输，彻底改变目前潜艇的通信方式，从而为潜艇真正融入网络中心战创造条件。