撥開迷霧看“量子通信”—— 理性分析切勿夸大
時(shí)間:2016-10-31 13:46:33 來(lái)源：
大夢(mèng)說(shuō)：撥開迷霧看“量子通信”—— 理性分析切勿夸大adss光纜
這幾天一陣風(fēng)吹開寶寶事件和里約奧運(yùn)這兩團(tuán)迷霧，繼而在各大主流媒體及網(wǎng)絡(luò)媒體上越刮越大，大事件引得文章無(wú)數(shù)鋪天蓋地而來(lái)，這就是“量子通信”。讀了數(shù)篇還是令人滿頭霧水，即便在一些權(quán)威媒體的文章和科技大咖嘴里對(duì)其技術(shù)核心也是語(yǔ)焉不詳。
我國(guó)首顆量子衛(wèi)星發(fā)射成功可喜可賀。對(duì)“量子通信”的溢美之詞也是塵囂甚上，加以“最安全”“無(wú)條件安全”“心靈感性”等修飾，大有大話神話該技術(shù)的形勢(shì)。根據(jù)近期收集的一些信息加以分析，筆者認(rèn)為，當(dāng)前的“量子通信”系統(tǒng)與傳說(shuō)中的利用量子糾纏的隱形傳態(tài)，量子計(jì)算等搶眼的字眼沒(méi)半毛錢關(guān)系?，F(xiàn)階段該系統(tǒng)僅是利用量子特性實(shí)現(xiàn)密鑰交換。好比就是在兩個(gè)人之間傳遞鑰匙，一旦發(fā)現(xiàn)有人監(jiān)聽便立即停止！更無(wú)其他諸如隔山傳牛的功能。即便如此也存在諸多技術(shù)問(wèn)題需要探討，容大夢(mèng)慢慢道來(lái)。
【量子是什么】
*對(duì)這部分已經(jīng)熟悉或者覺(jué)得太抽象的可以直接跳過(guò)本小節(jié)，不影響整體閱讀。
首先交代下“量子通信”里涉及的量子力學(xué)里面的理論及觀點(diǎn)。
一個(gè)物理量如果存在最小的不可分割的基本單位，則這個(gè)物理量是量子化的，并把最小單位稱為量子。量子英文名稱量子一詞來(lái)自拉丁語(yǔ)quantus。物理學(xué)中用到量子的概念，指一個(gè)不可分割的基本個(gè)體。例如，“光的量子”（光子）是光的單位。
量子狀態(tài)疊加性，在量子被測(cè)前可按某種概率分布處于所有可能的狀態(tài)，觀測(cè)后則“塌縮”為某個(gè)確定的狀態(tài)。
量子糾纏：兩個(gè)或多個(gè)量子可處于“糾纏”態(tài)，“糾纏”態(tài)下的量子，不論它們?cè)诳臻g中位置相距多遠(yuǎn)，其狀態(tài)總保持一致。這個(gè)也是令愛因斯坦百思不得其解的現(xiàn)象。
量子的信息承載: 利用光子的偏振態(tài)來(lái)傳輸信息即光子有兩個(gè)偏振互相垂直方向表示“0”和“1”。
不確定性原理（Uncertainty principle，又稱測(cè)不準(zhǔn)原理）由海森堡于1927年提出，這個(gè)理論是說(shuō)，你不可能同時(shí)知道一個(gè)粒子的位置和它的速度，粒子位置的不確定性，必然大于或等于普朗克斯常數(shù)除于4π（ΔxΔp≥h/4π），這表明微觀世界的粒子行為與宏觀物質(zhì)很不一樣。
【何謂通信系統(tǒng)與密碼系統(tǒng)？】
所謂通信系統(tǒng)應(yīng)是利用傳輸媒介來(lái)載荷并遞送信息，實(shí)現(xiàn)通信對(duì)象間信息交流的系統(tǒng)。我們用的電話，無(wú)線通信，微信等是典型的通信系統(tǒng)實(shí)例。
密碼系統(tǒng)是Shannon在1949年中明確提出的，借助密鑰控制下的加密和解密變換，實(shí)現(xiàn)秘密通信的系統(tǒng)。
加密模型包含安全強(qiáng)度較高的非對(duì)稱密鑰系統(tǒng)和對(duì)稱密鑰系統(tǒng)。非對(duì)稱密鑰是一對(duì)鑰匙，公鑰負(fù)責(zé)加密，私鑰負(fù)責(zé)解密。私鑰安全保存，無(wú)需日常攜帶和傳輸，所以安全性相對(duì)較高。對(duì)稱密鑰就是一把鑰匙既負(fù)責(zé)加密還負(fù)責(zé)解密，密鑰通常要在兩端傳輸，一把鑰匙丟了或者被破解就安全失效。由此可見基于對(duì)稱密鑰的安全系統(tǒng)并非絕對(duì)安全或是無(wú)條件安全。
【“量子通信”系統(tǒng)從哪里來(lái)？】
梳理清楚了大致的概念，再一起學(xué)習(xí)下當(dāng)下的這個(gè)“量子通信”。
“量子通訊”研究始于Bennett和Brassard提出的BB84協(xié)議。其原理是由A向B發(fā)射一系列不同偏振態(tài)的光子，承載一串比特流，B對(duì)其進(jìn)行隨機(jī)測(cè)量提取信息。在驗(yàn)證密碼的過(guò)程中，如果存在竊聽測(cè)量，將有一半的機(jī)會(huì)改變量子態(tài)本身（即令量子態(tài)坍縮）。
發(fā)送雙方事后通過(guò)一個(gè)傳統(tǒng)信道進(jìn)行公開比對(duì)，如果發(fā)現(xiàn)雙方在采用同樣的測(cè)量方案時(shí)測(cè)得的量子態(tài)是不一致的，就可以判斷量子信道上有竊聽者。于是可以有效發(fā)現(xiàn)竊聽，從而關(guān)閉通信，或重新分配密鑰，直到?jīng)]人竊聽為止。
在目前的“量子通信”系統(tǒng)中協(xié)商分發(fā)的是對(duì)稱密鑰。這樣看來(lái)當(dāng)量子物理相關(guān)假設(shè)成立的情況下，理論上本系統(tǒng)的特點(diǎn)在是傳輸對(duì)稱密鑰過(guò)程中監(jiān)測(cè)是否被監(jiān)聽，如果是就立即停止工作。
【“量子通信”？想說(shuō)愛你不容易】
那么相關(guān)的理論，技術(shù)問(wèn)題就來(lái)了。
首先，對(duì)比通信系統(tǒng)和安全系統(tǒng)的概念，當(dāng)前的“量子通信”系統(tǒng)其本質(zhì)是做了對(duì)稱密鑰協(xié)商（或者分發(fā)），沒(méi)有真正意義上的消息傳輸。不是量子密碼系統(tǒng)更不是通信系統(tǒng)。更談不上開創(chuàng)新的門類的通信及密碼系統(tǒng)。
其次，密碼學(xué)是假定敵人始終在竊聽的，“量子通信”主要的貢獻(xiàn)就是一旦偵聽到敵人的竊聽就停止收發(fā)，停止消息傳輸，“顛覆”了現(xiàn)有密碼系統(tǒng)的應(yīng)用理念。也就是說(shuō)僅在某些假定極端場(chǎng)景，即在為了應(yīng)付竊聽導(dǎo)致系統(tǒng)無(wú)法承受其加密復(fù)雜度的情況下起到有限作用。
另外，關(guān)鍵的是比對(duì)A端和B端的消息是否一致的工作是通過(guò)傳統(tǒng)信道來(lái)進(jìn)行的，即依賴于“量子通信”以外的一個(gè)傳統(tǒng)(常規(guī)安全)通道上做的對(duì)比。一個(gè)安全系統(tǒng)的總體安全程度是由其最脆弱部分所決定的，所以該系統(tǒng)整體安全程度和未采用“量子通信”的常規(guī)安全系統(tǒng)大體相當(dāng)!
還有，對(duì)錯(cuò)誤檢測(cè)靈敏度定量分析的問(wèn)題。竊聽檢測(cè)者由于隨機(jī)選擇測(cè)量方式導(dǎo)致50%概率的光子偏振變化，導(dǎo)致接收方有概率性的測(cè)量到錯(cuò)誤密碼。注意這些都是概率性的!也就是說(shuō)在小數(shù)據(jù)傳輸中，也有一定的概率無(wú)非檢測(cè)到竊聽。這點(diǎn)需要定量計(jì)算分析其概率風(fēng)險(xiǎn)及安全完備性。其它諸如技術(shù)的實(shí)用性，應(yīng)用經(jīng)濟(jì)性等問(wèn)題更待后續(xù)討論。
此外，利用量子糾纏來(lái)直接傳輸量子比特，它還處于基礎(chǔ)研究階段，未用于當(dāng)前系統(tǒng)，與這個(gè)“量子通信”系統(tǒng)無(wú)關(guān)。量子計(jì)算機(jī)的功能與這個(gè)“量子通信”系統(tǒng)無(wú)關(guān)! 所以當(dāng)你見到什么量子隱形傳態(tài)，量子計(jì)算等搶眼的字眼就一帶而過(guò)吧。
重要的事兒說(shuō)三遍，現(xiàn)階段“量子通信”僅是利用量子特性實(shí)現(xiàn)密鑰交換。所謂的“最安全”，“無(wú)條件安全”的說(shuō)法，無(wú)論是從絕對(duì)定量和相對(duì)比較，從理論到實(shí)踐都缺乏論據(jù)支撐。
本人對(duì)量子通信了解相當(dāng)粗淺，只不過(guò)看到當(dāng)前很多文章的內(nèi)容觀點(diǎn)有些模糊，困惑甚至誤導(dǎo)，本著求真和好奇的心態(tài)搜集了些文章資料，包括潘建偉院士，西安電子科技大學(xué)王育民教授，中科院張文卓教授，上海大學(xué)曹正軍教授等，加以分析總結(jié)。希望大家多探討指正拍磚。
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