在无声服务早期的大部分时间里，一旦潜艇被淹没，它就只能靠自己了。对于第一次世界大战的潜艇和 U 型潜艇来说，这一事实几乎没有实际影响，因为这些船只主要作为水面舰艇行动，潜入水中只是为了攻击或逃避追击。在他们被淹没的短暂时间内，指挥当局几乎不需要联系他们，因为他们大多是单独行动并在船长的倡议下发动攻击。

在本世纪后期，随着潜艇战术演变为“狼群”攻击，船只之间需要水下通信来协调攻击变得明显。U 型潜艇和潜艇船长依靠他们的高频 （HF） 无线电在船群中的船只之间进行通信并协调他们对车队的攻击，但这可能会使它们暴露在使用无线电测向设备的敌方部队的侦测中，而且由于它们需要浮出水面才能使用无线电，因此它们很容易被水面舰艇和飞机挑选。

美国海军最早部署的水下通信模式之一是 AN/BQC-1 水下电话。这是一种电池供电且完全便携式的设备，水面舰艇使用它来与水下潜艇通信，以及潜艇之间相互通信。通常被称为“格特鲁德”，该设备除了安装在船体上的传感器外是独立的。基本单元有一个电话听筒，用于单元之间的语音通信;此外，格特鲁德号可以发出 24.26 kHz 的音频音调，以呼叫使用该频率操作声纳装置的其他船只。

为了传输语音，Gertrude 使用了业余无线电操作员熟悉的调制方法：单边带。就像无线电波一样，声载波可以进行幅度调制。在 Gertrude 的情况下，载波在 8.3375 kHz 到 11.0875 kHz 之间，就像在无线电中一样，接收器和发射器必须调谐到相同的载波频率。在发射机侧，对 AM 信号进行滤波以去除载波和其中一个边带，留下施加到传感器的单边带信号。接收器使用标准乘积检测器和拍频振荡器布置解调 SSB 信号，与 SSB 无线电信号中使用的非常相似，但频率不同。

AN/BQC-1 Gertrude 一直服役到第二次世界大战结束和冷战时代。一个更强大的单位 AN/WQC-2 于 1945 年投入使用，直到今天，几乎每艘美国海军舰艇上都保留了该技术的某些版本。现代水下电话仍然使用 SSB 调制方案，并且仍然支持海军为原始 Gertrude 建立的频率，即使其背后的电子设备在过去几十年中发生了巨大变化。

随着核动力船的出现，潜艇也扮演着截然不同的角色。这些船只能够在海上飞行数月，成为弹道导弹的完美平台，弹道导弹需要与指挥当局保持联系，其程度是二战潜艇的船长从未想过的。但无线电波通常不会穿透海水，这就带来了潜艇必须定期浮出水面以检查新命令的问题，并失去了它的一个战术优势：隐身。

为了将潜艇安全地保持在水面以下，海军司令部开始探索无线电频谱的最低端。虽然高频（HF：3 MHz 至 30 MHz）和低频（LF：30 kHz 至 300 kHz）频段由于电离层折射而完全能够覆盖全球，但海水的高电导率会迅速衰减这些频段中的信号。

稍微调低频谱，极低频（VLF：3 kHz 至 30 kHz）频段开始表现出对海水的良好渗透，深达 20 米。这还不够深，无法确保大多数潜艇的隐身性，当它们巡航时，它们需要展开一根长长的天线线以拖在它们身后，因为它们的巡航距离太近了，以至于不舒服。VLF 通信还受到带宽限制，使语音通信变得不切实际。因此，VLF 通信被限制为 300 bps 左右的比特率。另一个缺点是 VLF 所需的巨大天线阵列和高功率发射器使双向通信成为不可能。

再往下看，极低频（ELF：3 Hz 至 30 Hz）频段的信号能够穿透 120 米深的海水，这足以让任何潜艇保持其隐身性。美国海军于 1968 年开始通过 Project Sanguine 调查 ELF 乐队。ELF 发射器的波长从 10,000 公里到 100,000 公里不等，需要巨大的天线;事实上，在威斯康星州建造 ELF 站的最初提案是将天线电缆埋在该州土地面积的 40% 以下。这些电缆在传输时将具有 800 兆瓦的功率。

有限带宽的海底通信当然有其用武之地，但如果新的研究得到回报，那么能够以高比特率安全地进行水下通信是可能的。在最近的一篇论文中，来自阿卜杜拉国王科技大学的 Basem Shihada 等人展示了一种他们称之为“Aqua-Fi”的系统，该系统将互联网扩展到水下领域。他们主要使用现成的组件（包括 Raspberry Pi 3b），能够构建范围可达 20 米的符合 IEEE 802.11 标准的无线网络。LED 和激光器都用于发射器，激光器提供更大的范围，但以方向性为代价。在使用防水智能手机和蓝色和绿色激光进行的测试中，他们能够达到 2.11 Mbps 并通过 Aqua-Fi 链路进行 Skype 通话。

量子密钥分发技术可以使潜艇在深度和速度上进行安全通信。Berenice Baker 研究了如何在受物理定律本身保护的保密级别下实现快速水下通信。

潜艇通信挑战

潜艇通信受到船只交换信息的深度和通过水介质进行信息交换的速度的限制。

然而，最近，研究人员在使用一种称为量子密钥分发 （QKD） 的技术来解决这一困境方面取得了令人印象深刻的进步。QKD 承诺通过量子力学原理保证安全通信，而不会牺牲速度或迫使潜艇上升到更靠近表面的位置。“潜艇通信受到船只可以交换信息的深度的限制。”

潜艇要想保持其所有战术优势，必须保持在大约 60 至 100 米深的混合层中，低于该层的水面声纳无法检测到它们。目前，潜艇通信是在水下使用 ELF 或 VLF 无线电波进行的，因为只有非常低或极低的频率才能穿透这些深度的水域。但是，使用 ELF 和 VLF 会带来许多缺点。传输站点必须非常大，这意味着潜艇必须拖曳笨重的天线电缆，而且它通常必须在特定方向上对齐并降低速度以获得最佳接收效果。

VLF 和 ELF 频率仅提供非常低的带宽：VLF 每秒支持几百位，而 ELF 每分钟只维持几位。这可以防止传输视频等复杂数据。一种潜在的解决方案是使用激光进行光通信，这个概念自 1980 年代以来一直存在，当时进行了实验以证明可以在潜艇和机载平台之间保持光通道。

国防技术专家 ITT Exelis 的量子技术小组正在考虑通过研究潜艇与卫星或机载平台之间激光光通信的可行性来进一步实现这一目标，并使用量子信息进行保护。ITT Exelis 为美国政府开展的工作包括各种量子信息主题的研究，包括量子算法、量子传感器和量子通信系统新颖解决方案的开发。

完美安全的密钥

ITT Exelis 信息系统部门量子技术小组主任 Marco Lanzagorta 博士解释说，QKD 是一种使用量子信息生成一对完全安全的密钥的协议。“量子信息不同于经典信息，因为在经典信息中，单位是位，它可以具有 0 或 1 的值，”Lanzagorta 说。“量子信息的单位是量子比特，它是光子的量子态。它可以位于 0、1 或 0 和 1 的任意叠加上。它更像是一个信息概念，而不是经典概念。

俄亥俄级潜艇为美国海军服务，作为几乎无法探测的洲际导弹海底发射平台量子信息具有两个用于保护通信的重要属性。它无法复制，这意味着它无法伪造，并且每次观察者测量量子态时，它都会崩溃，这意味着它的属性很难检测到。“QKD 承诺通过量子力学原理保证安全通信，而不会牺牲速度。”结合在 QKD 中，这些属性可用于生成完全安全的密钥，因为密钥的机密性由物理定律保证。Lanzagorta 解释说，在传统的密码系统中，例如公共领域系统 RSA、Diffie-Hellman 和 ElGamal 加密方法，安全性基于对非常困难的数学问题的解决方案。然而，没有正式的证据表明这个数学问题，例如 RSA 中的质因数分解，不能被高级算法破解。

也有人推测，假设的量子计算机可以以指数级更快的速度破解这些类型的密码。因此，QKD 将提供无与伦比的安全解决方案。

光通信

QKD 技术已经存在并且可以在市场上获得，但目前它是通过光纤进行的，而不是光子在空气或水中自由传播。“已经使用 QKD 上的光子在自由空间中移动进行了一些实验，”Lanzagorta 说。“最近在加那利群岛进行了一项实验，他们在 144 公里的距离处首次进行了 QKD 基地，表明拥有这种自由空间量子通信是可行的。“结合在 QKD 中，这些属性可用于生成完全安全的密钥，因为密钥的机密性得到了保证。”“已经完成了将地面站点与卫星平台连接起来的其他工作，但我们不是在地面平台上工作，而是在淹没在水中的平台上工作。”

除了通过水和自由空气传输光子的挑战外，研究人员还需要在卫星或机载平台上的发射器和接收器之间建立激光链路。QinetiQ 北美团队目前正在解决这个问题，该团队正在开发一个专业的跟踪系统。

一旦潜艇和卫星之间建立了光链路，ITT Exelis 研究人员的工作就会接管，研究如何启用 QKD 协议来保护通信。这是使用在所谓的盖革模式下工作的光电传感器完成的，这实际上意味着它对以特定偏振方式到达的光子进行计数。“对于量子信息的传输，你需要一些能够使光子极化的东西，这样量子态就会处于一个给定的基中，并且需要一个过滤器在发射器和接收器中检测到这一点，”Lanzagorta 说。

“你不能使用普通激光器，因为你需要专业的光子激光器，这就像一个非常稀释的激光器。它们一次发送一个光子，每个光子都有一个确定的量子态。

可行性研究

该计划的下一阶段将看到美国海军研究实验室进行一系列实验，以确定光子在水中传播时量子态的保存程度，以验证 ITT Exelis 理论可行性研究的准确性。如果实验支持理论模型并且研究进入下一阶段，则实验原型可能会在五年内到位。然而，这种激进的新方法有许多因素在起作用。“这不仅是一个科学技术问题，还与资金水平和政治有关，”兰扎戈塔声称。

皇家海军的机敏级潜艇是一种核动力攻击潜艇

然而，如果当权者真的做到了，好处可能是巨大的。拟议的系统有可能以高达每秒 170kb 的速率提供完全安全的传输和最高级别的安全性，这比当前 VLF 系统能够提供的带宽高出约 600 倍，可以轻松处理视频等复杂数据。此外，潜艇本身不会损失作战效率或隐身性，因为原则上它不必减速、保持在小于 100 米的深度或改变方向来交换数据。这些因素将由解决方案的发射激光器和接收系统部分来解决，QinetiQ 正在解决这一问题。

然而，整个成功取决于在水中传播如何影响光子。“最大的挑战是找出发送单光子脉冲的最佳方式是什么，这样即使量子态在水中传播，它也受到保护，”Lanzagorta 说。“我们需要找到一种方法来进行某种编码，比如纠错编码，以保护光子的量子态，这样我们就可以进行更大范围的操作。”

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