量子通信技术在广播信源的应用

2022-09-21 16:27:34 来源:写作指导

量子通信技术在广播信源的应用

摘要:量子通信是时下炙手可热的高新技术,可以广泛应用到军事国防、能源电力、电子政务等各个方面。相比传统广播信源的传输方式,量子通信的传输安全性更高,在广播信源中有着广泛的应用前景。本文对量子通信技术进行了分析,并探讨了其在广播信源中的应用。

关键词:量子通信技术;KDC;广播信源

1引言

广播发射系统承担着将广播信号传递给千家万户的重要责任,根据2017年公布的中国广播收听报告:全国有中、短波广播发射台862座,全国广播在国内的人口综合覆盖率达98.37%,2016年公共广播节目播出时间为14565057.58小时。广播发射系统对广播信源的安全性要求较高,特别是目前国际形势复杂,加强信号源系统的传输保密工作特别重要,一旦出现差错,后果不堪设想。而量子保密通信技术具有传输安全性高、传输容量大等特点,可以很好地应用到广播发射的信号源系统中。目前,量子保密通信技术已成为广播发射信源传输关注与研究的热点。

2广播信源

广播信源是广播发射的前端部分,为获得良好的声音品质,必须从广播信源开始,提高输入发射机的音频信号质量。以黑龙江省级中波904台为例,目前台里使用3路信号源作为广播信源,使用中星6A(原鑫诺3号卫星)转发的中央台信号作为主用信号源,同时微波、光纤分别作为备用一、备用二信号源,同时预留一路作为备用三信号源。所有的广播信号都具备实时监听监控功能、检测故障自动依次调换备用信号源功能和音频切换器断电直通功能。904台智能切换信号源示意图如图1所示。当音频信号的电平值在一段时间内始终低于设定阈值时,将自动进行信号源切换,中波广播仅须判断单路信号源,调频广播和中波广播的唯一区别是需要进行双声道音频的判断。因此,需要分别进行左右声道音频检测判断。严格的值班制度和多重的保护模式能降低发射台发生信号干扰和入侵的可能性。由此可见,音频信号源的最大问题不在于发射台内广播信号的放大再发射,而来自广播信号源传输过程中的干扰,甚至是敌对势力或不法分子蓄意破坏、插入非法音频信号,给广播发射带来极大的隐患。因此,需要引入一种新的传输方式来保证广播信号传输过程的安全性和可靠性。而量子通信就是最好的选择之一。

3量子通信在广播信源中的应用

3.1量子通信知识体系

量子通信又称量子保密通信技术,与量子计算同属量子信息范畴,量子信息结合了量子力学和信息科学的知识,属于两者的交叉学科。因此,量子通信不但关联量子论、信息论等诸多方面理论,还涉及编码学、密码学等复杂学科。量子通信知识体系如图2所示。

3.2传统广播信号保密通信

传统的广播信号保密通信是先写好广播信号明文,通过加密算法和密钥,对明文进行一定的数学运算,编制成密文,密文被传递给发射台,发射台利用接收设备通过解密算法(加密算法的逆运算)和密钥,进行相应的“逆运算”,把密文翻译还原成明文,最后发射台得到广播信号。因为无线电是开放的,使用无线电传输密文的这种传统广播信号保密通信对于第三方窃密者来说很容易截获,使用有线介质进行长距离传输密文很难保证有线通信的安全。因此,提高通信安全性的关键要素就是密钥。在超级计算机技术面前,没有任何一种密钥是绝对安全的,再复杂的算法,破解起来只是资源和时间的问题。因此,广播发射需要保密性高、安全性好的信号源传输方式,这意味着量子通信加密技术将成为广播发射的必要手段。

3.3量子通信的应用

量子通信分为量子隐形传态和量子密钥分发。它们的性质和原理完全不同。量子隐形传态是利用量子的纠缠态来传输量子比特。而量子密钥分发则是利用量子的不可克隆性,对信息进行加密,属于解决密钥问题。量子隐形传态即用量子态作为信息载体,通过量子态完成大容量信息的传输,是一种脱离实物的“完全”的信息传送,能够实现原则上的完全保密。量子隐形传态利用经典辅助的方法传送未知的量子态。量子密钥分发是依托于传统通信信号,是应用在经典通信信道基础上的一种保密方式。广播信源所使用的量子通信是一种基于传统保密通信的新型通信方式,原理是基于海森堡测不准定律和不可克隆原理,传输基础是利用量子纠缠效应来提高信号、信息的传输安全系数。其最大的优点是安全性和传输效率高。量子保密通信示意图如图3所示。在原有发射台的信号源传输系统上进行量子通信属于量子密钥分发方式,可以使用对称加密,即信源发送端和发射台接收端必须使用相同的密钥,并且该密钥对其他组织或个人保密,在限制攻击者攻陷密钥所需要的数据总数时,频繁的密钥交换是安全的。广播信源量子通信系统包括信源发送端、编码器、密钥分发中心、传输信道、信源接收端、译码器等部分。信源发送端为广播信号产生器,信源接收端是广播信号的接收者,密钥分发中心用于产生量子密钥分发给信源发送端和接收端,编码器利用网络在必要时把广播信号转换成密文,译码器利用量子密钥把密文转换成广播信号。信道包括传输信道和辅助信道,传输信道就是传输信号数据的通道,辅助信道是指除了传输信道和测量信道外的其他附加信道。广播信源量子通信系统如图4所示。传输广电信源时采用对称加密量子密钥分发方式,由信源发送端向密钥分发中心提出申请,在密钥分发中心利用加密函数将会话密钥和主密钥生成一串量子密钥,再通过经典信道将这串绝对保密的量子密钥分发至信源发送端的编码器和信源接收端译码器,信源发送端用该密钥给广播信号的二进制信息加密,使加密后的二进制信息无法被解密,只能通过信源接收端用密钥对广播信号的二进制信息进行解密并还原成广播信号,从根本上保证传输信息过程的安全性。

3.4密钥分发方式的思考

量子通信采用量子密钥分发方式的一个重要原因是其拥有随时发现不法分子和敌对势力的能力,给不法分子和敌对势力以震慑,以此保卫信源的通信安全。但密钥分发方式只能发现窃听者,不能保证通信的稳定性,如果不法分子和敌对势力不停地窃听,虽然信源发送端和发射台双方随能及时察觉被窃听、破坏和干扰,却无法保证稳定通信,只能中断通信。因此,量子密钥分发方式还需要配合其他传输方式,以确保广播信源安全稳定地传送。

4影响量子通信应用的要素

量子通信属于前沿科学,它的研究发展涉及光学、模拟电子学、信号与信息处理、数字信号处理、硬件构成、软件设计、结构设计等多种复杂学科,目前,国内缺少一些成熟的方案和产品以供参考。因此,量子通信在广播发射的应用和发展,还需要一段时间去摸索。量子通信领域涉及很多关键电子元器件,我国关于这些元器件的生产技术尚未成熟,即使能够生产也很难达到应用要求。国外的产品虽然性能优良,但价格十分昂贵,这些严重地制约着量子通信在我国通信领域中的应用。制约量子通信在广播发射中应用的最大因素并不是理论和技术原理,而是批量化生产的技术瓶颈以及极高的制造成本。过高的产品成本挤压了市场空间,导致有效需求无法满足。技术的应用依赖知识的积累,依赖有丰富经验的科研人员,依赖不同领域的专家在工作中相互碰撞,相互启发。目前,我国在量子技术方面虽然走在世界前列,且拥有一批高精专人才可以进行各类量子通信的专研,但普遍应用技术人员相对较少,缺乏广泛开展量子通信的中坚力量。

5结语

随着科技发展对信息传输速率的旺盛需求,国家对信息传输的安全性高度重视。量子通信以其传输速率高、安全可靠的特点将被更广泛地应用到生产和生活的各个方面,量子通信将逐步从实验室阶段走向实用阶段,广播发射也将借着量子通信的东风更上一层楼。

参考文献:

[1]姚光韬,周琴.量子保密通信技术及应用研究综述[J].通信与信息技术2020(1):54-56.

[2]李晓星,孟坤.保障内容安全的量子密钥应用综述[J].计算机工程2019(12):19-25.

[3]方妍,郭欣,叶文景,等.经典通信信号的量子化处理:现状与展望[J].信号处理2019(10):1615-1625.

作者:温敬峰 单位:黑龙江省广播电视局904台