愛華網美國海軍“弗吉尼亞”級SSN-779新墨西哥號攻擊核潛艇
潛艇,以隱蔽性強而被稱為“水下幽靈”。然而，潛艇在水下隱蔽得深也有一大缺點，很難與向其提供指令和信息的海軍基地聯(lián)絡，也很難把信息傳回基地?，F(xiàn)在，量子技術可能會改變這一切，使下潛的潛艇能夠借助激光脈沖，與衛(wèi)星交換加密密碼和訊息。本期特邀專家就量子技術進行詳細解讀。
潛艇通信已不適應信息戰(zhàn)要求
現(xiàn)代海上局部戰(zhàn)爭是基于信息系統(tǒng)的網絡中心戰(zhàn)，要求把各種作戰(zhàn)力量通過信息技術整合成一個網絡，以提高信息的共享能力和戰(zhàn)場態(tài)勢感知能力，從而發(fā)揮信息技術在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中的倍增器作用。
潛艇作為海軍的重要作戰(zhàn)力量，要發(fā)揮其隱蔽性和突然性的戰(zhàn)術優(yōu)勢，必須下潛至混合層，亦即海平面以下60～100米的深度，在此深度下，聲吶不容易發(fā)現(xiàn)潛艇。此時，潛艇同外界的聯(lián)絡是通過極低頻或甚低頻無線電通信（ELF或VLF）達成的，因為海水對極低頻或甚低頻無線電波衰減較小，電波可以穿透海水一定深度。
然而，極低頻和甚低頻無線電通信有許多弊端，已不能滿足現(xiàn)代網絡中心戰(zhàn)的要求。首先，發(fā)信臺站十分龐大，抗毀能力差；其次，潛艇必須通過拖曳天線來收信，在此情況下，為了取得較好的收信效果，潛艇不得不調整自己的方位和降低速度。第三，甚低頻和極低頻通信的最大缺點是帶寬窄，影響了通信的速度：甚低頻1秒鐘能夠傳遞幾百比特的信息，而極低頻每分鐘只能傳遞幾比特的信息，這勢必影響了復雜數(shù)據的傳遞，比如視頻數(shù)據。遠遠不能適應信息化戰(zhàn)爭對大量情報、偵察和監(jiān)視數(shù)據的需要。
量子通信成為全球研究熱點
量子通信是利用了光子等粒子的量子糾纏原理來實現(xiàn)通信的，量子通信是經典信息論和量子力學相結合的一門新興交叉學科。量子信息學告訴人們，在微觀世界里，不論兩個粒子間距離多遠，一個粒子的變化都會影響另一個粒子，這就是所謂的量子糾纏現(xiàn)象，這一現(xiàn)象被愛因斯坦稱為“詭異的互動性”。
量子通信系統(tǒng)的基本部件包括量子態(tài)發(fā)生器、量子通道和量子測量裝置。對于量子信息的傳播，需要某種方式來促使光子產生極化現(xiàn)象，這樣，量子狀態(tài)將處于一種特定的狀態(tài)下，發(fā)射器和接收器中的過濾器可以發(fā)現(xiàn)量子。該系統(tǒng)使用的是特種光子激光器，而不是常見的激光器，因為后者產生的激光是散淡的，而特種光子激光器每次產生的光子和每個光子都有特定的量子態(tài)。
最近，由中國科大潘建偉院士領銜的中國科學院協(xié)同創(chuàng)新團隊在國際上首次成功完成了全方位的星地量子密鑰分發(fā)地基驗證試驗，該工作通過地基實驗驗證了衛(wèi)星與地球之間的相對運動帶來的困難以及星地鏈路之間的高衰減等不利因素都是可以克服的，為未來實現(xiàn)基于星地量子通信的全球化量子網絡奠定了堅實的技術基礎。（資料圖）
與目前成熟的通信技術相比，量子通信優(yōu)越性明顯，具有保密性強、大容量、遠距離傳輸?shù)忍攸c，成為全球物理學研究的前沿與焦點領域。
量子通信不僅在軍事、國防等領域具有重要的作用，而且會極大地促進國民經濟的發(fā)展，被認為是未來IT通信技術的發(fā)展方向。自1993年美國IBM的研究人員提出量子通信理論以來，美國國家科學基金會都對此項目進行了深入的研究。歐盟在1999年集中國際力量致力于量子通信的研究，研究項目多達12個。日本郵政省把量子通信作為21世紀的戰(zhàn)略項目。我國近10年來在量子糾纏態(tài)、糾錯、存儲等核心領域也取得了前沿性突破，中科院于2011年啟動了空間科學戰(zhàn)略性先導科技專項，2011年10月份，我國科學家潘建偉等人在國際上首次成功實現(xiàn)百公里量級的自由空間量子隱形傳態(tài)和糾纏分發(fā)（通俗地說，就是兩個相距100公里的量子實現(xiàn)了信息傳輸），這為我國發(fā)射全球首顆“量子通訊衛(wèi)星”奠定了技術基礎。
量子通信在國防和軍事應用方面有著無與倫比的廣闊前景，可以利用量子隱形傳輸以及超大信道容量、超高通信速率等特點，建立滿足軍事特殊需求的超光速軍事信息網絡。由于光量子密碼具有“不可破”和“不可竊聽性”，且光量子加密設備可與現(xiàn)在的光纖通信設備融合，因此，可以用來改進目前軍用光纖網絡信息傳輸?shù)谋Ｃ苄?，從而提高信息保護和信息對抗能力。為了滿足軍方需求，英國ITT國際防務公司開展了一系列研究，其中包括量子運算法則、量子傳感器和新型量子通信系統(tǒng)。
天基衛(wèi)星中繼通信系統(tǒng)。（資料圖）
量子技術將帶來潛艇通信革命
在很長一段時間里，風靡全球的電影及小說都是以間諜戰(zhàn)和破譯密碼為主要內容，竊聽、反竊聽，加密、解密……很多人最關心的是，有沒有絕對安全的保密通信，讓竊聽、破譯者無計可施？第二次世界大戰(zhàn)中，波蘭人和英國人成功破譯了德國著名的“恩格瑪”密碼，盟軍由此得知了德國的許多重大軍事行動；美軍破譯日本的高級密碼——“紫密”，從而擊斃了日本海軍大將山本五十六，一舉扭轉了美軍在太平洋戰(zhàn)場的被動局面。這些都是密碼攻防戰(zhàn)中的典型戰(zhàn)例。
目前，潛艇使用隨機生成的編碼或“密鑰”來加密訊息。這些密鑰是潛艇和聯(lián)絡基地在執(zhí)行任務之前制作的，每個密鑰只使用一次，這樣一來，敵人就算破解了密鑰，也無法用它來解密之后的訊息。
但是，這種做法存在一些問題。首先，它從后勤上講是麻煩的。潛艇在執(zhí)行一次長時間的任務前必須帶上許許多多的密鑰，而一旦潛艇遇襲，這些密鑰就有可能落入敵手。此外，即便有足夠多的安全密鑰，潛艇和基地之間的聯(lián)絡速度也極慢。為了在海水傳輸，發(fā)射機必須使用頻率極低的無線電波。這決定了每秒只能傳輸幾個字符。在世界上其他地方(以及其他作戰(zhàn)空間)都在進行高速聯(lián)絡的同時，潛艇卻只能進行撥號聯(lián)絡。為了收發(fā)大量信息，或是快速收發(fā)信息，潛艇就必須浮出水面，這很容易使自身暴露，也很容易受到攻擊。
但是，英國ITT國際防務公司的研究人員想出了一個點子。通過量子密鑰分配，潛艇可以把一個密鑰加密成光子(利用光子的極性來代表“1”和“0”)，從而生成一個幾乎無法破解的密鑰——如果有人試圖攔截這些光子，就將干擾量子系統(tǒng)，而訊息收發(fā)者可以測得這種干擾，從而知悉有第三方正在監(jiān)聽。
制作好安全的密鑰后，潛艇就能夠——至少從理論上講——待在水面下數(shù)百英尺的地方，通過激光向衛(wèi)星發(fā)射光子，然后再由衛(wèi)星把光子傳回地面，到達基地。研究人員模擬展示了一種當潛艇在水下時，能夠以每秒170兆字節(jié)的速率收發(fā)數(shù)據的系統(tǒng)。
這一技術還遠遠沒有達到可在實戰(zhàn)中使用的程度。但是有朝一日，它可能會實現(xiàn)前所未有的高速和安全的數(shù)據傳輸，徹底改變目前潛艇的通信方式，從而為潛艇真正融入網絡中心戰(zhàn)創(chuàng)造條件。
