量子通信技术发展及军用应用前景

本科课程论文课程名称：军事通信基础学员:李钊学号：201109060360培养类型：“4+1”合训年级：2011级专业：应用物理所属学院：九院指导教员：秦长江职称：讲师教室：305-106上交日期：2014.03.25国防科学技术大学训练部制量子通信技术发展及军用应用前景摘要：军事通信是现代战争的核心之一，高效且安全的军事通信是确保打赢信息化战争的重要前提，因此，要保证军事通信安全就显得尤为必要。本文简要介绍了量子通信的特点及发展现状,展望了量子通信的应用前景。关键词：军事通信量子通信应用前景1991年爆发的海湾战争使全世界第一次惊叹信息和信息系统在战争中的关键作用。时隔10年,2001年爆发的阿富汗战争又首次向全世界显示了网络的威力,在此期间还有北约对科索沃的空袭。这几次局部战争都证明了,可靠的通信是赢得胜利的基础,“仗靠三军打、胜由信息通”的道理已为世人所接受。军事通信是现代战争的核心，我军要实现跨越式发展、打赢信息化战争，首先就要提高军事通信能力。目前，军事通信有卫星通信、视频通信等等。然而在所有的军事通信技术中显然安全是军事通信的第一要求,而量子通信可以做到绝对安全。量子通信是面向未来的全新通信技术,在安全性、高效性方面具有经典通信无法比拟的优势,它对未来军事通信发展的影响不可估量。目前，量子通信尚无严格的定义。物理上，量子通信可以被理解为在物理极限下，利用量子效应实现的高性能通信。信息学上，我们则认为量子通信是利用量子力学的基本原理（如量子态不可克隆原理和量子态的测量塌缩性质等）或者利用量子态隐形传输等量子系统特有属性，以及量子测量的方法来完成两地之间的信息传递。量子通信有如下主要特点:(1)信息效率高量子信道中光量子的信息效率比经典信道中光子的信息效率要高几十倍。(2)在同等条件下,获得可靠通信所需信噪比低。（3)量子隐形传态非局域性,且与传播媒质无关。在对量子纠缠对中的一个光量子进行操作的同时,另外一个处于纠缠态的量子的态也会发生相应的变化,这说明作为信息载体的物理量子本身并没有被传送,所送的是量子的态。（4)具有窃读可知性,通信保密性好。根据量子不可克隆的特点,信息的量子比特或量子位一经检测就会产生不可还原的改变。用量子位传递加密信息若在到达预定接收者之前途中被窃取,预定接收者肯定能够发现。（5)无电磁波辐射,通信隐蔽性好。量子通信是没有经典意义上的电磁辐射的,无论现有的无线电探测系统性能如何先进,对量子通信这种完全电磁静默的通信目标是无能为力的。所以量子通信是隐身通信的极好选择。由量子通信的特点所决定,军用量子通信的应用前景十分广阔。（一）军事信息系统中的应用军事信息系统需要高速率、大容量传输处理及按需共享能力。量子技术的信息传输处理与计算能力是经典通信无法比拟的。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,正好能满足军事信息系统的特殊要求。军事信息系统需要高效的指挥控制能力。而量子特性在提高运算速度和增大信息容量等方面,可突破现有经典信息系统的极限,满足高效控制指挥及决策的需要。军事信息系统需要有极强的信息分析综合能力。基于量子态叠加理论,可以用量子叠加方式来处理信息,可在几分之一秒内实现1000位数的因式分解,这不仅使经典密码无密可保,而且可实现对侦察情报数据的实时分析与综合,完全满足军事信息系统对信息分析综合及决策的需求。(二)用于隐蔽通信通信隐身的关键之一是要降低电磁辐射,而经典通信都要依靠电磁波来传输信号,特别是远程无线通信需要辐射很强的电磁波,即便是激光通信,尤其是空间激光通信,也要辐射很强的光波,这就破坏了通信隐身条件。但光量子通信既无电磁波辐射,也无强光波辐射,这就为通信隐身提供了电磁静默环境。敌方无从知晓是否在通信以及通信者的位置,使通信真正实现了隐蔽。这对军事通信是十分重要的。(三)用于信息对抗由于光量子密码具有窃听可知性,它的这一特性将使网络信息安全出现划时代的革命,而且光量子加密设备可与现在的光纤通信设备融合,制成目前光纤通信的换代端机,用此来改进目前军用光网信息传输保密性,从而提高信息保护能力。绝对安全的密码也需要有安全的传输手段来保证其传输的安全,光量子通信没有电磁辐射,也没有强光辐射,敌方难以截获和破坏我方密码,从而确保了信息传输的安全。(四)用于对潜通信量子通信是一种不同于传统波通信的新概念通信,与其他传统通信技术相比,在对潜通信上有一些特殊的优点。在同等条件下,量子通信获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。这一点对远洋深海通信极为重要。深海中无论是电信号还是光信号的信噪比都很高。所以,能获得可靠通信而只需很低信噪比的通信手段,对深海通信无疑是具有深远意义的。将光量子通信技术用于对潜通信,不仅是解决对潜通信的瓶颈的急需,而且是对现代对潜通信概念、理论和技术的重大创新。光量子通信手段在对潜通信中的应用,对提高我海军的综合作战能力,打赢非对称高技术战争具有十分重大的战略意义。纵观国内外,量子通讯的发展突飞猛进,各国都投入了大量的力量进行研究,以期能够在未来的军事斗争中抢占住新的制高点。在国外，美国在2002年年底制定的十年发展规划中,已明确:到2012年发展一套可行的带有足够复杂度的量子计算技术,以其充当量子计算检测平台的功能,在这个平台之上去探索量子计算机的构建及算法等问题。布什总统又在2006年1月31日的国情咨文中宣布了美国竞争力计划(ACI)。在该计划中第4项就是突破技术障碍,实现量子信息处理技术的实际应用,并确定该项目将由能源部、国家科学基金委员会、国家标准和技术局负责。美国全国科学基金会投资5000万美元,对量子通信进行研究;美国防高级研究计划局也计划用3至5年的时间推进这方面的研究;美国IBM和AT&T都在积极承担这一技术的研究工作。2000年,日本将量子通信技术作为一项国家级高技术列入开发计划,10年内投资400多亿日元,主要研究光量子密码及光量子信息传输技术。日本邮政省的目标是,在2020到2030年前后使量子保密通信网络和量子通信网络技术达到实用化的水平。欧洲也成立了以英国、法国、德国、意大利、奥地利和西班牙等国在内的量子信息物理学研究网。这是继欧洲核子中心和航天技术的国际合作之后,又一大规模的针对科技重大问题的国际合作,并于1999年建立了集中12个研究项目的国际财团。在国内,量子通信方面的理论研究起步虽然相对滞后，但在实验上与国外几乎同步进行。1995年，中国科学院物理所首次以BB84协议方案在国内完成了演示实验。2000年中科院物理研究所和中科院研究生院合作完成了国内第一个850nm波长全光纤1.1km量子保密通信实验。2003年，中国科学技术大学中科院量子通信重点实验室成功地在校园内铺设了总长为3.2km的量子通信系统。2005年中国科学技术大学郭光灿院士领导的科研小组，通过现有光缆线路在北京和天津之间实现了125km量子通信原理性实验。2006年中国科学技术大学潘建伟教授领导的科研小组，利用纠缠光子对实现了不受外界干扰的量子密码传输。2007年3月，郭光灿小组在北京网通建立了有4个用户的量子密码通信网络，用户间最短距离32km，最长距离42.6km。2008年10月，潘建伟小组构建了基于商用光纤和诱骗态相位编码的3节点量子通信网络，节点间距离20km，实现了实时网络通话和3方对讲功能。值得指出的是，这一成果的发布早于欧洲科学家发布的量子通信网络系统，使得潘建伟小组成为国际上报道的两个严格安全的实用化量子通信网络实验研究小组之一。在基于传统技术(包括现代电子技术)的武器装备方面,我们落后于西方强国。究其原因,是我们在这些技术的基础研究阶段就开始落后,因此很难抢占到技术的制高点。量子技术是新兴的技术,目前仍然处于基础研究阶段。对此,我国起步