浅谈量子通信及其应用

浅谈量子通信及其应用

柴盈欣

河南大学 欧亚国际学院，河南省开封市475000

【摘要】量子通信是当今世界最有应用价值的科学技术之一，本文通过对量子进行描述，引申到对量子通信和量子密码进行分析，并在此基础上分析量子通信的军事应用实例。

【关键词】量子技术；量子通信；军事应用

1 绪论

1.1 研究背景及意义

量子技术指的是应用被称为量子力学的物理学理论的技术。除了更安全的通信网络和处理速度更快的计算机之外，在医疗等领域也备受期待的超高敏感度的量子传感器的研发工作也在进行中，21世纪成为量子技术的黄金时代。我国科学家近日设计出一种相位量子态与时间戳量子态混合编码的量子直接通信新系统，成功实现100公里的量子直接通信。这是目前世界最长的量子直接通信距离。该研究成果由北京量子信息科学研究院、清华大学龙桂鲁教授团队和陆建华教授团队共同攻关，发表于最新一期《Light-Science & Applications》期刊在线版。

量子直接通信以量子态作为载体编码和传输信息，改变了传统保密通信的双信道结构，将噪声信道下的可靠通信发展为噪声和窃听信道下的可靠和安全通信，不仅能够感知窃听，还能够阻止窃听。

该研究表明，使用现有成熟技术手段，一些无法进行中继的场景的量子直接通信可行，如星地之间的量子直接通信、部分城市间点对点量子直接通信等。可减少中继数量，降低链路节点成本，降低通信延时，提升通信性能和用户使用体验。

1.2 研究现状

量子通信的研究，我国是走在世界的前列的。2021年8月16日，世界首颗量子卫星“墨子号”发射升空，就在2021年9月4日，量子通信“京沪干线”项目通过技术验收。表明了我国在量子通信领域的研究迈上了新高度，从实验渐渐向实用转进。

2021年11月中科院量子信息与量子科技创新研究院科研团队在超导量子和光量子两种系统的量子计算方面取得重要进展[1]，使我国成为目前世界上唯一在两种物理体系达到“量子计算优越性”里程碑的国家。

超导量子计算研究团队构建了66比特可编程超导量子计算原型机“祖冲之二号”，实现了对“量子随机线路取样”任务的快速求解，比目前最快的超级计算机快一千万倍，计算复杂度比谷歌的超导量子计算原型机“悬铃木”高一百万倍，使得我国首次在超导体系达到了“量子计算优越性”里程碑。

同时，光量子计算研究团队构建了113个光子144模式的量子计算原型机“九章二号”[2]，在增强光量子计算原型机的编程计算能力的同时，其处理特定问题的速度比超级计算机快亿亿亿倍。

2量子与量子通信

2.1 量子相关概念

量子，又叫能量子，是构成能量的最小单位。就像原子是构成物质的最小单位一样，量子就是带能量的原子或分子。也就是说能量不是连续的，而是离散的，是一个一个颗粒组成的。这个概念是1900年12月14日德国物理学家普朗克提出的，后来这天被认定为量子理论的诞生日。

量子论，顾名思义，就是研究量子的理论。量子论揭示了微观物质世界的基本规律，为原子物理学、固体物理学、核物理学、核粒子物理学奠定了理论基础，很好地解释了原子结构、原子光谱的规律性、化学元素的性质、光的吸收与辐射等。

量子纠缠，又叫量子纠结，是一种量子力学现象[3]。是指粒子在由两个或两个以上粒子组成系统中相互影响的现象，这种影响不受距离的限制，一个粒子的变化仍会瞬间影响另外一个粒子。像光子、电子、分子一类的微观粒子，都可以观察到量子纠缠现象。通俗地理解纠缠就是关联或相关，两者之间有种必然的联系。打个不太恰当的比喻，两个粒子就像一整副扑克，随便拆成两部分，知道了其中一部分扑克的信息，就知道了另一部分扑克的信息。而在没有观测其中一本分扑克之前，其信息是“不确定”的，如果对其中的一部分扑克进行了观测，在确定了这部分扑克信息的同时，另外的一部分扑克的信息瞬间也会被确定。这就是量子力学的“不确定性原理”。

量子纠缠是一种纯粹发生于量子系统的现象；在经典力学里，是找不到类似的现象的。量子纠缠这一奇怪而且反常的物理现象，曾让爱因斯坦也困惑不已。到目前人们还没彻底弄清这个物理现象，不过人们已经开始学着怎么应用它了，就像当初还没弄清电磁感应现象之前就开始制造使用发电机一样，似乎有点有违常理，本末倒置。

2.2 量子通信

量子通信是指利用量子纠缠效应进行信息传递的一种新型的通信方式，是近二十年发展起来的新型交叉学科，是量子论和信息论相结合的新的研究领域[4]。量子通信主要涉及：量子密码通信、量子远程传态和量子密集编码等，近年来这门学科已经逐步从理论走向实验，并向实用化发展。

我国“墨子号”实验卫星的升空也许只是开启了量子通信进入成熟发展的新阶段，在一定意义上标志着量子技术正在由实验室走向实用。但是，量子信息技术正在成为新兴战略前沿技术已经渐成趋势，其可预期的军事应用前景极其广阔，量子密钥分发技术、量子计算机技术、量子成像技术等将带来军事通信和光电探测领域的革命，将使军队的信息获取、数据传输、情报支援、信息服务等能力得到大幅提升

[5]。

量子密码，核心环节是“量子密钥分配”。简而言之，就是把光子形成的量子态作为信息载体，通过“量子通道”在特定的用户之间传送信息，而只有特定的用户才可使用量子密钥解密，解密之后才能阅读信息。这看起来与其他密钥加密技术差不多，都是进行“数字签名”。但密钥加密技术破译起来虽极其困难，却绝非不可能。那么，运用量子密码技术，在这个过程中真的能确保“绝对安全”吗？

答案还是肯定的。与其他密码加密方法相比较，量子领域具备独有的两层“天然保护罩”，守卫着传送信息和密钥的安全。这就是量子物理学中著名的“不可克隆定律”和“测不准原理”。就像无数窃密题材影视作品中展现的那样，“窃密者”一般都是悄悄把机密文件拍成照片复制一份，拿回去慢慢破译，实现了窃取目的又不被发现。但是量子态的粒子十分微小，找到并截取粒子相比于窃取机密文件，在难度系数上有着质的差异。

首先，“窃密者”会遇到第一层“天然保护罩”。“不可克隆定律”，指的是绝不可能精确地克隆任意量子态的粒子，这与生物领域的认知是不同的。生物可以被克隆，但是任意一个量子态的粒子一旦被复制，原先的量子态则一定被损坏。在现代科技支持下，其他用户可通过高超的方法和特殊的手段拦截量子态的粒子，但这种“窃听”行为会触发“不可克隆定律”这层“天然保护罩”，使量子态的粒子发生改变，立刻会被传递信息的特定用户发觉。特定用户就会“停止发货”，密钥即时“不再启用”。

作为“窃密者”和“破译者”，既然量子态的粒子不能被复制，那么，截取量子态的粒子后不进行复制，直接进行测量不就可以了吗？

很遗憾，这也不可能！因为如果这么做，就会触发第二层“天然保护罩”——“测不准原理”。所谓“测不准原理”，就是不可能同时准确测量出微观世界粒子的某些成对的物理量，比如速度与位置、时间与能量，等等，都是这些成对的物理量。“窃密者”掌握不了这些关键物理量，破解量子密码也就如“老虎吃天，无从下口”了。

这两层“天然保护罩”，让量子通信成为不可被窃听、保密性最强的通信手段。对于对通信保密安全性要求极高的军事通信领域，传统的军事通信中依靠数学原理的传统加密方式，在安全性方面受到了越来越多的挑战。相比之下，量子密码因其具有的特殊物理原理，对基于计算能力的破译方法具有特殊天然的“免疫力”。

3 量子通信的军事应用

正如莱特兄弟刚刚发明飞机时引来众多质疑一样，当前量子通信发展还存在许多未知、难题和瓶颈，人们对于量子通信的未来前景还有疑惑。但是一直以来，军事领域对先进技术都是最为敏感，也是受影响最大最直接的。面向未来、预测战争是军队应对未来挑战的时代使命，从军事应用的角度考量量子通信可能引发的新军事变革的重大突破，研究由此带来的作战样式深刻变化，引发的战争形态演变以及所酝酿的对国际军事均衡的巨大冲击，无疑具有很强的战略和前瞻意义。

量子通信理论一经提出，就被世界各国认定是一项在军事领域有极大应用价值的技术，将会促进现代战争形态作战样式发生深刻变化，使得信息化战争的制胜机理发生重大改变。量子通信应用于陆海空天武器平台，将更加促进现代战争的空天化、隐身化、无人化、精确化和网络化趋势，相应的对抗方式也随之变化。信息化战争中，信息力已经成为影响和决定战争走向的主导因素，成为贯穿战争全过程、渗透作战活动全维空间、融合作战体系全要素的作战能力倍增器，信息优势成为夺取战争胜利的关键。

新的战争形态倒逼着新的战争样式，只有适应量子通信等新技术特点，运用新的战争机理，才能适应信息化战争进入新的发展阶段所产生的新要求。

参考文献

[1]付震宇,刘凌旗,陈羽臻,董博为.量子计算技术发展路线与趋势分析[J].中国电子科学研究院学报,2021,16(08):813-819.

[2]潘建伟.量子通信不会取代现有通信方式,量子计算正从“玩具”变成“工具” [J].中国科普网，2021.01.04.

[3]孟凡旭.基于量子计算的无线通信系统信息处理算法研究[D].东南大学,2021.DOI:10.27014/d.cnki.gdnau.2021.000043.

[4]李赓.量子通信技术研究现状[J].电子元器件与信息技术,2022,6(03):111-113.DOI:10.19772/j.cnki.2096-4455.2022.3.040.

[5]尹怡辉,朱少林,向霖,刘雷,熊平戬.Ka波段连续可调光延迟线的设计与实现[J].光通信技术,2016,40(11):37-40.DOI:10.13921/j.cnki.issn1002-5561.2016.11.011.