量子通信技術(shù)在廣播信源的應(yīng)用
量子通信是時(shí)下炙手可熱的高新技術(shù)，可以廣泛應(yīng)用到軍事國防、能源電力、電子政務(wù)等各個(gè)方面。相比傳統(tǒng)廣播信源的傳輸方式，量子通信的傳輸安全性更高，在廣播信源中有著廣泛的應(yīng)用前景。本文對量子通信技術(shù)進(jìn)行了分析，并探討了其在廣播信源中的應(yīng)用。
1引言
廣播發(fā)射系統(tǒng)承擔(dān)著將廣播信號(hào)傳遞給千家萬戶的重要責(zé)任，根據(jù)2017年公布的中國廣播收聽報(bào)告：全國有中、短波廣播發(fā)射臺(tái)862座，全國廣播在國內(nèi)的人口綜合覆蓋率達(dá)98.37%，2016年公共廣播節(jié)目播出時(shí)間為14565057.58小時(shí)。廣播發(fā)射系統(tǒng)對廣播信源的安全性要求較高，特別是目前國際形勢復(fù)雜，加強(qiáng)信號(hào)源系統(tǒng)的傳輸保密工作特別重要，一旦出現(xiàn)差錯(cuò)，后果不堪設(shè)想。而量子保密通信技術(shù)具有傳輸安全性高、傳輸容量大等特點(diǎn)，可以很好地應(yīng)用到廣播發(fā)射的信號(hào)源系統(tǒng)中。目前，量子保密通信技術(shù)已成為廣播發(fā)射信源傳輸關(guān)注與研究的熱點(diǎn)。
2廣播信源
廣播信源是廣播發(fā)射的前端部分，為獲得良好的聲音品質(zhì)，必須從廣播信源開始，提高輸入發(fā)射機(jī)的音頻信號(hào)質(zhì)量。以黑龍江省級(jí)中波904臺(tái)為例，目前臺(tái)里使用3路信號(hào)源作為廣播信源，使用中星6A(原鑫諾3號(hào)衛(wèi)星)轉(zhuǎn)發(fā)的中央臺(tái)信號(hào)作為主用信號(hào)源，同時(shí)微波、光纖分別作為備用一、備用二信號(hào)源，同時(shí)預(yù)留一路作為備用三信號(hào)源。所有的廣播信號(hào)都具備實(shí)時(shí)監(jiān)聽監(jiān)控功能、檢測故障自動(dòng)依次調(diào)換備用信號(hào)源功能和音頻切換器斷電直通功能。904臺(tái)智能切換信號(hào)源示意圖如圖1所示。當(dāng)音頻信號(hào)的電平值在一段時(shí)間內(nèi)始終低于設(shè)定閾值時(shí)，將自動(dòng)進(jìn)行信號(hào)源切換，中波廣播僅須判斷單路信號(hào)源，調(diào)頻廣播和中波廣播的唯一區(qū)別是需要進(jìn)行雙聲道音頻的判斷。因此，需要分別進(jìn)行左右聲道音頻檢測判斷。嚴(yán)格的值班制度和多重的保護(hù)模式能降低發(fā)射臺(tái)發(fā)生信號(hào)干擾和入侵的可能性。由此可見，音頻信號(hào)源的最大問題不在于發(fā)射臺(tái)內(nèi)廣播信號(hào)的放大再發(fā)射，而來自廣播信號(hào)源傳輸過程中的干擾，甚至是敵對勢力或不法分子蓄意破壞、插入非法音頻信號(hào)，給廣播發(fā)射帶來極大的隱患。因此，需要引入一種新的傳輸方式來保證廣播信號(hào)傳輸過程的安全性和可靠性。而量子通信就是最好的選擇之一。
3量子通信在廣播信源中的應(yīng)用
3.1量子通信知識(shí)體系
量子通信又稱量子保密通信技術(shù)，與量子計(jì)算同屬量子信息范疇，量子信息結(jié)合了量子力學(xué)和信息科學(xué)的知識(shí)，屬于兩者的交叉學(xué)科。因此，量子通信不但關(guān)聯(lián)量子論、信息論等諸多方面理論，還涉及編碼學(xué)、密碼學(xué)等復(fù)雜學(xué)科。量子通信知識(shí)體系如圖2所示。
3.2傳統(tǒng)廣播信號(hào)保密通信
傳統(tǒng)的廣播信號(hào)保密通信是先寫好廣播信號(hào)明文，通過加密算法和密鑰，對明文進(jìn)行一定的數(shù)學(xué)運(yùn)算，編制成密文，密文被傳遞給發(fā)射臺(tái)，發(fā)射臺(tái)利用接收設(shè)備通過解密算法(加密算法的逆運(yùn)算)和密鑰，進(jìn)行相應(yīng)的“逆運(yùn)算”，把密文翻譯還原成明文，最后發(fā)射臺(tái)得到廣播信號(hào)。因?yàn)闊o線電是開放的，使用無線電傳輸密文的這種傳統(tǒng)廣播信號(hào)保密通信對于第三方竊密者來說很容易截獲，使用有線介質(zhì)進(jìn)行長距離傳輸密文很難保證有線通信的安全。因此，提高通信安全性的關(guān)鍵要素就是密鑰。在超級(jí)計(jì)算機(jī)技術(shù)面前，沒有任何一種密鑰是絕對安全的，再復(fù)雜的算法，破解起來只是資源和時(shí)間的問題。因此，廣播發(fā)射需要保密性高、安全性好的信號(hào)源傳輸方式，這意味著量子通信加密技術(shù)將成為廣播發(fā)射的必要手段。
3.3量子通信的應(yīng)用
量子通信分為量子隱形傳態(tài)和量子密鑰分發(fā)。它們的性質(zhì)和原理完全不同。量子隱形傳態(tài)是利用量子的糾纏態(tài)來傳輸量子比特。而量子密鑰分發(fā)則是利用量子的不可克隆性，對信息進(jìn)行加密，屬于解決密鑰問題。量子隱形傳態(tài)即用量子態(tài)作為信息載體，通過量子態(tài)完成大容量信息的傳輸，是一種脫離實(shí)物的“完全”的信息傳送，能夠?qū)崿F(xiàn)原則上的完全保密。量子隱形傳態(tài)利用經(jīng)典輔助的方法傳送未知的量子態(tài)。量子密鑰分發(fā)是依托于傳統(tǒng)通信信號(hào)，是應(yīng)用在經(jīng)典通信信道基礎(chǔ)上的一種保密方式。廣播信源所使用的量子通信是一種基于傳統(tǒng)保密通信的新型通信方式，原理是基于海森堡測不準(zhǔn)定律和不可克隆原理，傳輸基礎(chǔ)是利用量子糾纏效應(yīng)來提高信號(hào)、信息的傳輸安全系數(shù)。其最大的優(yōu)點(diǎn)是安全性和傳輸效率高。量子保密通信示意圖如圖3所示。在原有發(fā)射臺(tái)的信號(hào)源傳輸系統(tǒng)上進(jìn)行量子通信屬于量子密鑰分發(fā)方式，可以使用對稱加密，即信源發(fā)送端和發(fā)射臺(tái)接收端必須使用相同的密鑰，并且該密鑰對其他組織或個(gè)人保密，在限制攻擊者攻陷密鑰所需要的數(shù)據(jù)總數(shù)時(shí)，頻繁的密鑰交換是安全的。廣播信源量子通信系統(tǒng)包括信源發(fā)送端、編碼器、密鑰分發(fā)中心、傳輸信道、信源接收端、譯碼器等部分。信源發(fā)送端為廣播信號(hào)產(chǎn)生器，信源接收端是廣播信號(hào)的接收者，密鑰分發(fā)中心用于產(chǎn)生量子密鑰分發(fā)給信源發(fā)送端和接收端，編碼器利用網(wǎng)絡(luò)在必要時(shí)把廣播信號(hào)轉(zhuǎn)換成密文，譯碼器利用量子密鑰把密文轉(zhuǎn)換成廣播信號(hào)。信道包括傳輸信道和輔助信道，傳輸信道就是傳輸信號(hào)數(shù)據(jù)的通道，輔助信道是指除了傳輸信道和測量信道外的其他附加信道。廣播信源量子通信系統(tǒng)如圖4所示。傳輸廣電信源時(shí)采用對稱加密量子密鑰分發(fā)方式，由信源發(fā)送端向密鑰分發(fā)中心提出申請，在密鑰分發(fā)中心利用加密函數(shù)將會(huì)話密鑰和主密鑰生成一串量子密鑰，再通過經(jīng)典信道將這串絕對保密的量子密鑰分發(fā)至信源發(fā)送端的編碼器和信源接收端譯碼器，信源發(fā)送端用該密鑰給廣播信號(hào)的二進(jìn)制信息加密，使加密后的二進(jìn)制信息無法被解密，只能通過信源接收端用密鑰對廣播信號(hào)的二進(jìn)制信息進(jìn)行解密并還原成廣播信號(hào)，從根本上保證傳輸信息過程的安全性。
3.4密鑰分發(fā)方式的思考
量子通信采用量子密鑰分發(fā)方式的一個(gè)重要原因是其擁有隨時(shí)發(fā)現(xiàn)不法分子和敵對勢力的能力，給不法分子和敵對勢力以震懾，以此保衛(wèi)信源的通信安全。但密鑰分發(fā)方式只能發(fā)現(xiàn)竊聽者，不能保證通信的穩(wěn)定性，如果不法分子和敵對勢力不停地竊聽，雖然信源發(fā)送端和發(fā)射臺(tái)雙方隨能及時(shí)察覺被竊聽、破壞和干擾，卻無法保證穩(wěn)定通信，只能中斷通信。因此，量子密鑰分發(fā)方式還需要配合其他傳輸方式，以確保廣播信源安全穩(wěn)定地傳送。
4影響量子通信應(yīng)用的要素
量子通信屬于前沿科學(xué)，它的研究發(fā)展涉及光學(xué)、模擬電子學(xué)、信號(hào)與信息處理、數(shù)字信號(hào)處理、硬件構(gòu)成、軟件設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等多種復(fù)雜學(xué)科，目前，國內(nèi)缺少一些成熟的方案和產(chǎn)品以供參考。因此，量子通信在廣播發(fā)射的應(yīng)用和發(fā)展，還需要一段時(shí)間去摸索。量子通信領(lǐng)域涉及很多關(guān)鍵電子元器件，我國關(guān)于這些元器件的生產(chǎn)技術(shù)尚未成熟，即使能夠生產(chǎn)也很難達(dá)到應(yīng)用要求。國外的產(chǎn)品雖然性能優(yōu)良，但價(jià)格十分昂貴，這些嚴(yán)重地制約著量子通信在我國通信領(lǐng)域中的應(yīng)用。制約量子通信在廣播發(fā)射中應(yīng)用的最大因素并不是理論和技術(shù)原理，而是批量化生產(chǎn)的技術(shù)瓶頸以及極高的制造成本。過高的產(chǎn)品成本擠壓了市場空間，導(dǎo)致有效需求無法滿足。技術(shù)的應(yīng)用依賴知識(shí)的積累，依賴有豐富經(jīng)驗(yàn)的科研人員，依賴不同領(lǐng)域的專家在工作中相互碰撞，相互啟發(fā)。目前，我國在量子技術(shù)方面雖然走在世界前列，且擁有一批高精專人才可以進(jìn)行各類量子通信的專研，但普遍應(yīng)用技術(shù)人員相對較少，缺乏廣泛開展量子通信的中堅(jiān)力量。
5結(jié)語
隨著科技發(fā)展對信息傳輸速率的旺盛需求，國家對信息傳輸?shù)陌踩愿叨戎匾暋Ａ孔油ㄐ乓云鋫鬏斔俾矢�、安全可靠的特點(diǎn)將被更廣泛地應(yīng)用到生產(chǎn)和生活的各個(gè)方面，量子通信將逐步從實(shí)驗(yàn)室階段走向?qū)嵱秒A段，廣播發(fā)射也將借著量子通信的東風(fēng)更上一層樓。
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《量子通信技術(shù)在廣播信源的應(yīng)用》來源：《廣播電視信息》，作者：溫敬峰
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