量子派的罩門在哪里?量子通訊爭(zhēng)議,誰會(huì)笑到最后？

量子通訊爭(zhēng)議的雙方是經(jīng)典派和量子派，他們對(duì)保密通訊有兩種不同的看法：經(jīng)典派采用的是數(shù)學(xué)方法，賭的是你隨便聽、反正你解不了密;量子派采用物理方法，賭的是只要你偷聽、我就能知道。最近幾年，量子派在學(xué)術(shù)界的風(fēng)頭很勁，而經(jīng)典派只能在網(wǎng)上搞些爭(zhēng)議。

上次我在《量子保密通訊，經(jīng)典派陷入的N個(gè)誤區(qū)》中提到，量子通訊爭(zhēng)議中，經(jīng)典派在戰(zhàn)略上太托大(沒有重量級(jí)的人物站臺(tái))，在戰(zhàn)術(shù)上太自大(對(duì)量子密鑰傳輸?shù)募夹g(shù)細(xì)節(jié)研究不夠透徹，與量子物理學(xué)的理論基礎(chǔ)相悖)，所以在辯論中落在下風(fēng)、搞得灰頭土臉的。

那么大家就要問了：照你這么說，量子派完勝!還爭(zhēng)議啥?散了散了，都回家吃瓜算了。然而，事情并沒有這么簡(jiǎn)單。

量子派的罩門在哪里?

成也蕭何，敗也蕭何。

天底下沒有完美無缺的事情，有一利必有一弊，量子通訊也不例外，量子派同樣是既有優(yōu)點(diǎn)，也有缺點(diǎn)。在我看來，量子派一大優(yōu)點(diǎn)是宣傳搞得好，而最大的缺點(diǎn)是宣傳搞得太好了。

量子派的優(yōu)勢(shì)

首先，量子通訊的宣傳確實(shí)搞得好，這為量子通訊成為一個(gè)熱門社會(huì)話題立下了大功。

貝爾不等式把量子力學(xué)的爭(zhēng)論從哲學(xué)思辨領(lǐng)域帶入了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證領(lǐng)域，BB84協(xié)議第一次給出了一種理論上的方法檢驗(yàn)是否有人在偷聽，這些都是了不起的理論貢獻(xiàn)，其具體實(shí)現(xiàn)也是偉大的實(shí)驗(yàn)進(jìn)展。然而，自從在實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證了BB84協(xié)議，之后的發(fā)展都是直截了當(dāng)?shù)模涸囉貌煌膯喂庾釉矗蛘邠Q用糾纏光子源;提高單光子源或糾纏光子源的效率;用單光子干涉態(tài)替換偏振態(tài);試用不同的單光子探測(cè)器并提高其效率;改用新的通訊協(xié)議(如誘騙態(tài)協(xié)議);延長(zhǎng)量子通訊的距離。但這些主要是工程方面的進(jìn)展，以延長(zhǎng)通訊距離為例，如果張三和李四能夠在一個(gè)屋子里實(shí)現(xiàn)量子通訊，那么他們搬到馬路對(duì)面的兩個(gè)屋子里，在一個(gè)城市的兩端，兩個(gè)不同的城市，甚至一個(gè)在天一個(gè)在地，張三和李四采用的設(shè)備都不用變化，需要考慮的問題只是光信號(hào)的損耗——光纖通訊中光纖的吸收或者自由空間通訊中光的衍射和空氣的吸收。其中確實(shí)有很多非常有挑戰(zhàn)性的工程問題，但都難以算是科學(xué)問題，不知道為什么會(huì)那么引人注目。

再看看關(guān)于量子通訊“漏洞”的討論。量子通訊領(lǐng)域討論的攻擊，都是極限狀態(tài)下的攻擊，給王麻子的權(quán)限非常高，只要不違反自然規(guī)律，都可以使用——有時(shí)甚至賦予他一些超自然的力量。例如之前說過的“探測(cè)器致盲攻擊”和“注入攻擊”，王麻子發(fā)出一束很強(qiáng)的光照進(jìn)張三或者李四的工作室里，可是張三和李四愣是“裝作沒看見”，煞有介事地討論王麻子造成的“漏洞”問題。再如“光子數(shù)分離”(PNS)攻擊，王麻子不但擁有神奇的“剝皮”功能(從同時(shí)過路的幾個(gè)光子中“扣下”一個(gè)或幾個(gè)，還能讓剩下的幾個(gè)毫發(fā)無損地“走人”)和強(qiáng)大的量子存儲(chǔ)能力(長(zhǎng)時(shí)間的把光子保存下來，因?yàn)楸仨毜鹊綇埲屠钏挠么罄群霸捯院蟛拍苓M(jìn)行測(cè)量)，還要具有逆天的無損耗傳輸光子的能力(否則王麻子扣下一個(gè)光子，李四在那邊數(shù)數(shù)就會(huì)發(fā)現(xiàn)自己經(jīng)常性地丟失光子——肯定是有人搗亂了)，這種通敵行徑簡(jiǎn)直是“令人發(fā)指”。量子派唯一的底線是承認(rèn)，完全的中間人攻擊是無法抵抗的，但這相當(dāng)于說王麻子切斷張三和李四之間所有的通訊途徑(不管是量子的還是經(jīng)典的，不管是喊大喇叭，還是遞小紙條)，這完全是予取予求的架勢(shì)，根本不是勢(shì)均力敵的對(duì)抗。

更別說那些經(jīng)常出現(xiàn)在科普文章里的量子力學(xué)(特別是量子糾纏)的神奇解釋了。這種討論進(jìn)行得熱火朝天，仿佛連玻爾和愛因斯坦都恨不得從天堂里跳下來，抱著薛定諤的那只貓來參加討論。

現(xiàn)在有些明白了，這些都是宣傳的技巧。量子派激烈地討論這個(gè)“漏洞”、那個(gè)“攻擊”，給王麻子賦予各種神奇的能力，其實(shí)是因?yàn)榱孔油ㄓ嵲诎l(fā)現(xiàn)是否有人偷聽這方面毫無漏洞，而其真正的短板在其他方面：一是信息的傳送速率太低、可能會(huì)讓人急死;另一個(gè)是量子通訊只是信息安全系統(tǒng)這個(gè)整體的一部分，并不能包打天下。

所以說，量子派依靠宣傳成功地將人們的注意力集中在了它最擅長(zhǎng)的方面：發(fā)現(xiàn)偷聽者。

量子通訊的短板

量子派當(dāng)然也知道自己的短板，也在努力想辦法。例如，真正的高效率的單光子源(每次按需發(fā)射1個(gè)且只有1個(gè)光子)目前還沒有實(shí)現(xiàn)，大多是用衰減脈沖激光束的方法近似實(shí)現(xiàn)，如果衰減足夠大，就可以近似地看成單光子源，如平均每束光里只有0.1個(gè)光子，也就是說，每10次發(fā)射只有1次有1個(gè)光子，其他9次都是空的，那么100次發(fā)射才會(huì)出現(xiàn)1次有2個(gè)光子的情況(以此類推，1000次中有10次2個(gè)光子，1次3個(gè)光子，等等)，如果覺得還不夠，就讓每束光里只含有0.01個(gè)光子(發(fā)射100次，只有1次有光子，其他99次都是空的)。這樣能夠滿足BB84協(xié)議的要求，但是傳輸效率太低。為了提高傳輸效率，就要提高每束光里的平均光子數(shù)，但是，一次發(fā)射出現(xiàn)多個(gè)光子的次數(shù)就會(huì)顯著增多，為了抵御“光子數(shù)分離”攻擊，才提出了誘騙態(tài)協(xié)議。簡(jiǎn)而言之，BB84協(xié)議是，0個(gè)和1個(gè)有顯著的差別，有就是有、沒有就是沒有，誰都別想騙我;誘騙態(tài)協(xié)議是，1個(gè)和3個(gè)(隨便說的一個(gè)數(shù)，只要這個(gè)數(shù)很小就可以了)也有些差別，王麻子拿走一個(gè)兩個(gè)的，我還是能發(fā)現(xiàn)的。在誘騙態(tài)協(xié)議里，每次發(fā)射的平均光子數(shù)仍然是1的量級(jí)(例如0.5或者0.7，絕對(duì)不是10或者100，丟了一個(gè)還是會(huì)有顯著結(jié)果的)，但是已經(jīng)比0.1和0.01好得多了，而且也能夠發(fā)現(xiàn)是否有人在偷聽。

正是因?yàn)橛辛苏T騙態(tài)協(xié)議，量子通訊的有效傳輸范圍才能夠從二三十千米拓展到上百千米。京滬干線總長(zhǎng)度是2000多千米，有32個(gè)中繼站，兩站之間的距離約是七八十千米。利用糾纏光子源，可以讓張三和李四的通話距離加倍，因?yàn)榧m纏光子源位于這兩個(gè)人的中間，同時(shí)向他們各自發(fā)射一個(gè)偏振關(guān)聯(lián)的光子(糾纏光子對(duì)就是這個(gè)意思)。這種方法能夠達(dá)到的距離是有上限的，主要來自于傳輸過程中的光損耗：基于光纖的量子通訊系統(tǒng)，目前最遠(yuǎn)的傳輸距離是400千米，而傳碼率只有可憐的每小時(shí)1比特;基于墨子號(hào)衛(wèi)星的系統(tǒng)，兩年前大約是每秒1萬比特(我在衛(wèi)星發(fā)射前的估計(jì)是每秒鐘幾千比特)，現(xiàn)在據(jù)說達(dá)到了每秒40萬比特(這個(gè)可能是基于單光子通訊的星地傳輸，而不是地面兩個(gè)基站之間通過衛(wèi)星中介的信息傳輸)。

至于量子通訊只管張三和李四這一段，如果組成通訊網(wǎng)絡(luò)必須考慮各個(gè)站點(diǎn)的保密問題，這是顯而易見的，量子派肯定知道這一點(diǎn)，而且并不覺得這真的是個(gè)問題——只要采用經(jīng)典派現(xiàn)成的技術(shù)就可以了。量子通訊并不是只能用量子方法，量子方法只是整個(gè)信息安全體系的一個(gè)有機(jī)部分。為了系統(tǒng)的總體目標(biāo)，當(dāng)然是可以無所不用其極——你憑什么限制我?

但是話說回來，量子派在成功宣傳的同時(shí)，也留下了一些后患——他們的宣傳太成功了，讓很多人(包括出來反對(duì)量子派的經(jīng)典派人物)以為，量子通訊具有“絕對(duì)安全性”、甚至能夠包打一切，結(jié)果量子派給自己挖了一個(gè)坑，一個(gè)很深很大的坑。

孰吉孰兇？孰去孰從？

說到這里，不免想戲謔一下經(jīng)典派和量子派。上次我們提到：因?yàn)槌鰜沓凑{(diào)的經(jīng)典派犯了一些非常簡(jiǎn)單的錯(cuò)誤，還試圖推翻量子力學(xué)的基礎(chǔ)，簡(jiǎn)直不忍直視，看上去就跟量子派的“托兒”似的——好像就是為了制造有爭(zhēng)議的假象，讓人們的注意力集中在量子派的優(yōu)勢(shì)方面。不過“經(jīng)典派”可能也棋高一著呢，他們一直沒有大人物出來站臺(tái)，也許是因?yàn)榇笕宋镌缇涂辞逍蝿?shì)了：你們量子派鬧得再兇，也不可能包打天下，將來還是要用經(jīng)典方法和經(jīng)典網(wǎng)絡(luò)。

我覺得，量子通訊爭(zhēng)議這件事有些像談戀愛。天天到公主窗前送鮮花、唱情歌的，并不一定能抱得美人歸。就算你歌唱得再好、海豚音飚得再高，也只能贏得吃瓜群眾的喝彩，而真正的白馬王子可能早就登門入室、與公主共進(jìn)燭光晚餐了——人家才不會(huì)出來和你賽歌呢，最多給你個(gè)神秘的微笑。

量子派也許只是個(gè)飆海豚音的，人家經(jīng)典派才是真正入洞房的!

簡(jiǎn)而言之，量子派既有優(yōu)點(diǎn)，也有缺點(diǎn)。量子派最大的優(yōu)點(diǎn)是宣傳搞得好，成功地將人們的注意力集中在他最擅長(zhǎng)的方面——發(fā)現(xiàn)偷聽者。量子派最大的缺點(diǎn)是宣傳搞得太好了，成功地讓許多人以為，量子通訊具有“絕對(duì)安全性”、甚至能夠包打一切，給自己挖了一個(gè)坑，一個(gè)很深很大的坑。

上次說過，現(xiàn)在關(guān)于量子通訊的爭(zhēng)議雖然很熱鬧，但怎么看都像雞同鴨講，讓人看了著急!現(xiàn)在我們看到，經(jīng)典派有經(jīng)典派的誤區(qū)，量子派有量子派的罩門，那么，量子通訊爭(zhēng)議將來會(huì)怎么發(fā)展，也就顯而易見了。

量子通訊爭(zhēng)議：將來會(huì)怎么樣?

兵者，詭道也。故能而示之不能，用而示之不用，近而示之遠(yuǎn)，遠(yuǎn)而示之近。

談?wù)撐磥砜偸俏ｋU(xiǎn)的——因?yàn)檎l也不是神漢轉(zhuǎn)世。我也只能就幾個(gè)問題談?wù)勛约旱目捶ā?/p>

量子通訊網(wǎng)絡(luò)的成本

先簡(jiǎn)單估計(jì)一下量子通訊網(wǎng)絡(luò)的成本。估計(jì)數(shù)量級(jí)是學(xué)物理的基本功，估計(jì)值與實(shí)際值差個(gè)三五倍很正常，但如果拿去討論工程造價(jià)，肯定是笑話了——權(quán)當(dāng)娛樂好了。

量子通訊的基礎(chǔ)是量子不可克隆定理，而這個(gè)定理反過來又限制了光子的完美復(fù)制，所以我覺得，量子中繼器是造不出來的(再次強(qiáng)調(diào)，這是個(gè)人觀點(diǎn)，我也不認(rèn)可基于“量子芝諾效應(yīng)”之類的量子中繼器)，這就限制了量子通訊單次傳輸?shù)淖畲缶嚯x：基于光纖的量子通訊大約是100千米，基于衛(wèi)星的量子通訊大約是1000千米。

我國(guó)的陸地面積是1000萬平方千米，那么覆蓋全境的光纖網(wǎng)絡(luò)需要1000個(gè)基站，總計(jì)長(zhǎng)度20萬千米的光纖，假設(shè)一個(gè)基站造價(jià)100萬人民幣，一千米光纖1萬，大概要30億。考慮到現(xiàn)在的光纜里面都是幾百根也許更多的光纖，一次還可以鋪設(shè)不止一條光纜，而量子通訊只不過用一根光纖，以后還有同時(shí)使用幾個(gè)不同波長(zhǎng)的可能性，所以鋪設(shè)光纖網(wǎng)絡(luò)的真實(shí)成本可能還要低。建造基站的價(jià)格也許會(huì)高一些，還沒有考慮安保的要求(畢竟是“可信中繼”嘛)。好了，30億，數(shù)量級(jí)是不會(huì)錯(cuò)的，但是不可能給出更精確的價(jià)格了——上下差個(gè)3倍很正常。對(duì)于這樣的網(wǎng)絡(luò)，相鄰兩個(gè)基站之間的量子信息傳送速率大概是100兆每秒。

基于衛(wèi)星的量子網(wǎng)絡(luò)，估計(jì)起來就更困難了。衛(wèi)星的發(fā)射成本是個(gè)謎，而相鄰地面站的距離若為1000千米的話，只需要建10個(gè)，其實(shí)每個(gè)省建個(gè)天文觀測(cè)臺(tái)就可以了，而量子通訊只需要用一個(gè)天文望遠(yuǎn)鏡而已(直徑大概是1米)。這些成本也很難估計(jì)，我猜是100億吧(包括5~10顆衛(wèi)星?)，應(yīng)該也不會(huì)差出3倍的。因?yàn)樾l(wèi)星和地面的通訊是串行操作，一次只能聯(lián)系一個(gè)基站，衛(wèi)星2小時(shí)轉(zhuǎn)一圈，每個(gè)基站頂上停留大約5分鐘，現(xiàn)在的最大傳遞速率是40萬比特每秒(我覺得已經(jīng)到極限了)，那么平均下來的傳輸速率不過是2萬比特每秒(如果說白天或者霧霾天氣還會(huì)更低)。

好了，拍出200個(gè)億(考慮了人工成本)，你就可以得到兩個(gè)量子通訊網(wǎng)絡(luò)，一個(gè)光纖的，一個(gè)衛(wèi)星的。干不干?我們普通人肯定沒有這個(gè)錢，但是政府只要愿意，還是掏得起的：只是幾十千米高鐵的造價(jià)嘛。當(dāng)然，這個(gè)量子通訊網(wǎng)絡(luò)只是個(gè)混合網(wǎng)絡(luò)，量子通訊(也就是那個(gè)量子密鑰傳輸)只是其中的一部分，需要控制的范圍縮減為1000個(gè)基站(保持其“可信性”)，值不值?我們普通人肯定也不知道，還是要政府拍板。

量子通訊的安全問題

接著談?wù)劻孔油ㄓ嵕W(wǎng)絡(luò)的安全問題。最終的量子通訊網(wǎng)絡(luò)(如果真建成的話)一定是混合網(wǎng)絡(luò)，相鄰基站之間用量子通訊檢測(cè)偷聽者，基站內(nèi)部的管理和整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)肯定還是離不開經(jīng)典方法。保密是目標(biāo)，為了這個(gè)目標(biāo)當(dāng)然是不擇手段，絕不會(huì)區(qū)分什么量子還是經(jīng)典，哪個(gè)好用就用哪個(gè)。

檢查這個(gè)網(wǎng)絡(luò)的安全性，也是個(gè)龐大的系統(tǒng)工程，成本也是個(gè)人無法估算的——安全性的價(jià)值等于被保密信息的總價(jià)值。這種保密網(wǎng)絡(luò)的安全性檢查，肯定是要政府指導(dǎo)、各部門協(xié)調(diào)、團(tuán)結(jié)一切可以團(tuán)結(jié)的力量，大家齊心協(xié)力才有可能進(jìn)行的，肯定不會(huì)單純?yōu)榱肆孔优珊徒?jīng)典派的爭(zhēng)論就來一次的。從這個(gè)意義上講，前一陣國(guó)盾公司提出的“打擂臺(tái)”方法簡(jiǎn)直就是搞笑了。我不能破譯你的密碼，當(dāng)然不會(huì)來獻(xiàn)丑，即使我能夠破譯你的密碼，顯然也有更來錢的方式——即使有人知道破譯方法這件事本身的價(jià)錢就絕對(duì)不止100萬。舉個(gè)例子：在二戰(zhàn)時(shí)期，圖靈破譯了德國(guó)的密碼系統(tǒng)，丘吉爾知道德國(guó)將轟炸考文垂，但是決定不做任何特殊的準(zhǔn)備，以防止希特勒可能猜到其密碼被破譯了。僅僅為了不讓敵人知道自己能夠破譯密碼，就不惜犧牲一個(gè)城市——還可能犧牲更多的。

量子通訊的未來

既然最終的網(wǎng)絡(luò)是混合網(wǎng)絡(luò)，就有誰來主導(dǎo)的問題。從量子派的角度說，如果在可預(yù)見的未來，真的搞出來能夠破譯RSA密碼的量子計(jì)算機(jī)，雖然經(jīng)典派還可以說，我只要簡(jiǎn)單加倍密碼長(zhǎng)度就可以了，但這肯定是量子派的巨大勝利：“看看，我跟你說過的!”這應(yīng)該是最樂觀的情況了，但是量子計(jì)算機(jī)的未來很有可能是很長(zhǎng)的30年：再過30年，我就跟你說，只要再過30年，我就可以跟你說……(編者注：關(guān)于量子計(jì)算機(jī)，建議查閱文末“相關(guān)閱讀”4和5。)

如果真的搞不出來量子計(jì)算機(jī)，就有些麻煩了。量子派和經(jīng)典派的結(jié)合來自于使用者的要求，使用者偏向于哪一邊，哪一邊的力量肯定就大。如果沒有這個(gè)外部的強(qiáng)制要求，量子派就很難了：轉(zhuǎn)向?人家早就覺得你是雞肋了，不一定想要。主導(dǎo)?這個(gè)難度太大了，人家可能說你什么都有了，最后還得我干活?

最后再來一個(gè)設(shè)想。

量子通訊的賣點(diǎn)是能夠發(fā)現(xiàn)偷聽者，或者說保證沒有偷聽者。在光纖系統(tǒng)里，除非利用量子通訊方法，這是很難做到的;但是在基于衛(wèi)星的星地通訊或者星星通訊中，有個(gè)顯然的方法可以做到：不管是發(fā)射者還是接受者，都是一個(gè)大家伙(尺寸是米的量級(jí))，這么大的家伙是無法隱形的——NASA能夠監(jiān)視太空軌道上所有尺寸在厘米以上的物體，中國(guó)肯定也能做到，在基站附近放個(gè)1米大小的望遠(yuǎn)鏡更是不可能逃脫監(jiān)控的。張三和李四的連線上，有沒有站個(gè)王麻子?這個(gè)問題簡(jiǎn)直就是和尚腦袋上的虱子——明擺著的呀。

如果確實(shí)是這樣，量子派就有個(gè)顯而易見的脫身法：只要提高信號(hào)光的強(qiáng)度，就可以大幅度提高信息傳送速率——不搞基于單光子的量子通訊了，我們搞的是大范圍的自由空間光互聯(lián)，衛(wèi)星間對(duì)準(zhǔn)和星地對(duì)準(zhǔn)都是已經(jīng)解決了的問題，弱光發(fā)射和探測(cè)更是我們的拿手絕技。一個(gè)基于衛(wèi)星的自由空間光互聯(lián)系統(tǒng)就誕生了!

所以說，未來雖然不可預(yù)料，但只要準(zhǔn)備充分，未來還是美好的。

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