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标题: 【原创】大梦说：拨开迷雾看“量子通信”—— 理性分析切勿夸大  [查看完整版帖子] [打印本页]

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时间:  2016-8-21 19:27

作者: tiger_vip     标题: 【原创】大梦说：拨开迷雾看“量子通信”—— 理性分析切勿夸大

大梦说：拨开迷雾看“量子通信”—— 理性分析切勿夸大

这几天一阵风吹开宝宝事件和里约奥运这两团迷雾，继而在各大主流媒体及网络媒体上越刮越大，大事件引得文章无数铺天盖地而来，这就是“量子通信”。读了数篇还是令人满头雾水，即便在一些权威媒体的文章和科技大咖嘴里对其技术核心也是语焉不详。

我国首颗量子卫星发射成功可喜可贺。对“量子通信”的溢美之词也是尘嚣甚上，加以“最安全”“无条件安全”“心灵感性”等修饰，大有大话神话该技术的形势。根据近期收集的一些信息加以分析，笔者认为，当前的“量子通信”系统与传说中的利用量子纠缠的隐形传态，量子计算等抢眼的字眼没半毛钱关系。现阶段该系统仅是利用量子特性实现密钥交换。好比就是在两个人之间传递钥匙，一旦发现有人监听便立即停止！更无其他诸如隔山传牛的功能。即便如此也存在诸多技术问题需要探讨，容大梦慢慢道来。

【量子是什么】

*对这部分已经熟悉或者觉得太抽象的可以直接跳过本小节，不影响整体阅读。

首先交代下“量子通信”里涉及的量子力学里面的理论及观点。

一个物理量如果存在最小的不可分割的基本单位，则这个物理量是量子化的，并把最小单位称为量子。量子英文名称量子一词来自拉丁语quantus。物理学中用到量子的概念，指一个不可分割的基本个体。例如，“光的量子”（光子）是光的单位。

量子状态叠加性，在量子被测前可按某种概率分布处于所有可能的状态，观测后则“塌缩”为某个确定的状态。

量子纠缠：两个或多个量子可处于“纠缠”态，“纠缠”态下的量子，不论它们在空间中位置相距多远，其状态总保持一致。这个也是令爱因斯坦百思不得其解的现象。

量子的信息承载: 利用光子的偏振态来传输信息即光子有两个偏振互相垂直方向表示“0”和“1”。

不确定性原理（Uncertainty principle，又称测不准原理）由海森堡于1927年提出，这个理论是说，你不可能同时知道一个粒子的位置和它的速度，粒子位置的不确定性，必然大于或等于普朗克斯常数除于4π（ΔxΔp≥h/4π），这表明微观世界的粒子行为与宏观物质很不一样。


【何谓通信系统与密码系统？】

所谓通信系统应是利用传输媒介来载荷并递送信息，实现通信对象间信息交流的系统。我们用的电话，无线通信，微信等是典型的通信系统实例。

密码系统是Shannon在1949年中明确提出的，借助密钥控制下的加密和解密变换，实现秘密通信的系统。

加密模型包含安全强度较高的非对称密钥系统和对称密钥系统。非对称密钥是一对钥匙，公钥负责加密，私钥负责解密。私钥安全保存，无需日常携带和传输，所以安全性相对较高。对称密钥就是一把钥匙既负责加密还负责解密，密钥通常要在两端传输，一把钥匙丢了或者被破解就安全失效。由此可见基于对称密钥的安全系统并非绝对安全或是无条件安全。

【“量子通信”系统从哪里来？】

梳理清楚了大致的概念，再一起学习下当下的这个“量子通信”。

“量子通讯”研究始于Bennett和Brassard提出的BB84协议。其原理是由A向B发射一系列不同偏振态的光子，承载一串比特流，B对其进行随机测量提取信息。在验证密码的过程中，如果存在窃听测量，将有一半的机会改变量子态本身（即令量子态坍缩）。

发送双方事后通过一个传统信道进行公开比对，如果发现双方在采用同样的测量方案时测得的量子态是不一致的，就可以判断量子信道上有窃听者。于是可以有效发现窃听，从而关闭通信，或重新分配密钥，直到没人窃听为止。

在目前的“量子通信”系统中协商分发的是对称密钥。这样看来当量子物理相关假设成立的情况下，理论上本系统的特点在是传输对称密钥过程中监测是否被监听，如果是就立即停止工作。

【“量子通信”？想说爱你不容易】

那么相关的理论，技术问题就来了。

首先，对比通信系统和安全系统的概念，当前的“量子通信”系统其本质是做了对称密钥协商（或者分发），没有真正意义上的消息传输。不是量子密码系统更不是通信系统。更谈不上开创新的门类的通信及密码系统。

其次，密码学是假定敌人始终在窃听的，“量子通信”主要的贡献就是一旦侦听到敌人的窃听就停止收发，停止消息传输，“颠覆”了现有密码系统的应用理念。也就是说仅在某些假定极端场景，即在为了应付窃听导致系统无法承受其加密复杂度的情况下起到有限作用。

另外，关键的是比对A端和B端的消息是否一致的工作是通过传统信道来进行的，即依赖于“量子通信”以外的一个传统(常规安全)通道上做的对比。一个安全系统的总体安全程度是由其最脆弱部分所决定的，所以该系统整体安全程度和未采用“量子通信”的常规安全系统大体相当!

还有，对错误检测灵敏度定量分析的问题。窃听检测者由于随机选择测量方式导致50%概率的光子偏振变化，导致接收方有概率性的测量到错误密码。注意这些都是概率性的!也就是说在小数据传输中，也有一定的概率无非检测到窃听。这点需要定量计算分析其概率风险及安全完备性。其它诸如技术的实用性，应用经济性等问题更待后续讨论。

此外，利用量子纠缠来直接传输量子比特，它还处于基础研究阶段，未用于当前系统，与这个“量子通信”系统无关。量子计算机的功能与这个“量子通信”系统无关! 所以当你见到什么量子隐形传态，量子计算等抢眼的字眼就一带而过吧。

重要的事儿说三遍，现阶段“量子通信”仅是利用量子特性实现密钥交换。所谓的“最安全”，“无条件安全”的说法，无论是从绝对定量和相对比较，从理论到实践都缺乏论据支撑。

本人对量子通信了解相当粗浅，只不过看到当前很多文章的内容观点有些模糊，困惑甚至误导，本着求真和好奇的心态搜集了些文章资料，包括潘建伟院士，西安电子科技大学王育民教授，中科院张文卓教授，上海大学曹正军教授等，加以分析总结。希望大家多探讨指正拍砖。

文章为作者独立观点，不代表主办机构立场。如需转载请联系本人，否则保留追究其相关责任的权利。


刘岵
20160817于京




【相关阅读】终于有人来揭这个新时代皇帝的新装了

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时间:  2016-8-22 08:31

作者: 家园副管03

感谢楼主分享

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时间:  2016-8-22 08:47

作者: leodanis

不明觉厉！

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时间:  2016-8-22 09:12

作者: bky2000

量子通信只是用量子的原理分发密钥，信息还是需要在传统信道上通过加密传输密文。有人会问为什么不在量子通信信道上直接发送明文或密文，我觉得可能是效率和成本的问题。
比如按新闻中所说的，对一个长度为M的明文，用长度为L的密钥K进行乘法运算，运算后的结果为N。如果L很小而M很大，则说明对密钥的传输带宽要求可以传统信道小的多，不对称,效率高。而如果采用密码学说的一字一密，一个字节的明文必须有一个字节的密钥进行异或操作，那么明文和密钥长度之比是一比一，这就效率很低，确实不如直接在量子通信信道上直接传送明文。

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时间:  2016-8-22 09:29

作者: 为别人打工的人

星地通信采用激光技术，实验结果出来后才能判断是否实用。众所周知，我国从1950年代开始研究大气激光通信技术，在原邮电部第五研究所从事几十年的研究，一直没啥进展，后来华为也尝试大气激光通信研发，目的是解决短距离山区架设光缆困难问题以及高楼大厦的城区街道铺设光缆苦难问题，但最终还是因为大气干扰因素太多，衰耗太大（烟尘、灰尘、雾气、阴雨等）未能推广使用。现在试验星地通信，不说“量子”，单说传输通道，太空估计问题不大，但到了大气层以后如何避免云层、地面的烟尘、灰尘、雾气、阴雨等干扰？我们拭目以待。欢迎讨论

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时间:  2016-8-22 09:34

作者: toc

看懂了, 就是借助了量子的一个特性做的加密通信系统.

有点硬沾边的意思

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时间:  2016-8-22 09:46

作者: wangjun19840729

万事总有个过程，一步一步来，对于过分抬高和贬低当前中国在量子通信取得的成就人来说，只能说他们要么不懂技术，要么懂一些技术但是不懂科技发展的历程，都是一步一步来，没有一蹴而就的好事。

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时间:  2016-8-22 10:01

作者: tiger_vip

我写这个是个人分析，与所在单位无关的

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时间:  2016-8-22 10:05

作者: taojian723

瞄了下楼主微软的技术销售总监呀，大牛来的

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时间:  2016-8-22 10:05

作者: hyunlai

“现阶段该系统仅是利用量子特性实现密钥交换。好比就是在两个人之间传递钥匙，一旦发现有人监听便立即停止！“”。。。。。。。。。。。。。。如果真这样那加以干扰不就解决问题？用花那么大钱折腾吗

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时间:  2016-8-22 10:31

作者: nipper

量子通信有用吗？
有用的。
不过，应用场合类似于星球大战的星际传输。 比如，与天顶星人作战，地球、火星两地通信的密钥进行量子加密。天顶星人一旦渗透进入太阳系，截获从地球指挥部到火星基地的信号，地球人立马通过量子纠缠特性知道传输通道被破坏，通过数量统计，获得天顶星人侵入的进度。

可是，如今经济政治民生氛围，烧钱强推此类话题，醉翁之意不在酒。  希望不要包装过度，不要上演亩产万斤枪头条，让受众身心疲惫的游戏，真真切切对人类文明做出贡献。

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时间:  2016-8-22 11:23

作者: tiger_vip

taojian723 发表于 2016-8-22 10:05
瞄了下楼主微软的技术销售总监呀，大牛来的

亲，确实是个人拙作，与单位无关，咱就从技术角度看问题，为国出力。

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时间:  2016-8-22 13:25

作者: 99919

还是没看懂

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时间:  2016-8-22 13:59

作者: 辰Andy

好牛的样子，蟹蟹分享

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时间:  2016-8-22 15:05

作者: zxman

看了后起码有些收获，无关观点对错，非常感谢

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时间:  2016-8-22 16:12

作者: longwc

当前，量子通信的应用仅限于利用量子的偏振态特性来实现对称密钥的分发，只是信息安全系统中的一个子系统，并不具有传输数据比特流的功能。

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时间:  2016-8-22 17:24

作者: savie

冷静的声音

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时间:  2016-8-22 18:55

作者: czzkx

不对!星地通过激光通信，应该是显示中国激光技术达到的水平，如有能力用激光摧毁核导弹!

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时间:  2016-8-22 23:27

作者: 0110000

新闻联播各种官煤习惯就好。

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时间:  2016-8-23 06:59

作者: shenqiang

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时间:  2016-8-23 08:20

作者: cattpon.chen

确实是要回归技术的理性~

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时间:  2016-8-23 08:56

作者: 大脚纤

不知道做给谁看？

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时间:  2016-8-23 13:35

作者: 千花岛

量子通信卫星又是什么鬼？在光纤中还有光子，空气中有啥？

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时间:  2016-8-23 14:14

作者: lv4

才疏学浅。 这个量子通信，与亩产万斤有什么相同点？和不同点？

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时间:  2016-8-23 14:29

作者: xyfmmp12345

信号与系统远远没有你想的那么简单；其次，维度这个东西可以说并非是本征态的。然后暗物质和暗能量更深层次并非是弦；广义相对论和目前几种黑洞的模型用到的计算其实远远比高阶微分方程复杂。21世纪三朵乌云

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时间:  2016-8-23 16:45

作者: wangjunbb1

图森破，科学需要一步一步来，不是科幻。

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时间:  2016-8-23 18:22

作者: 我也做通信

学习了，不过发射了卫星起码是让量子通信的研究从实验室走向了应用，也许在不远的将来，目前的问题便不再是问题。

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时间:  2016-8-24 09:35

作者: cloverforce

楼主的态度很冷静，分析也比较到位，赞一个。确实不能过分夸大，但也不必因噎废食。应该明明白白清清楚楚地给民众科普一下，我觉得这个东西还是很有意义的，不迈出这一步，后续更深入的研究就很难开展。

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时间:  2016-8-24 10:25

作者: 雍秋

确实看到这个新闻了。以为有什么逆天级神奇技术被攻破，看了LZ文章，才知道，刚刚推开一条门缝而已。不过对未来，我觉得还是很乐观，如果真的有““纠缠”态下的量子，不论它们在空间中位置相距多远，其状态总保持一致。”。更感兴趣的是，这条量子纠缠态规律是怎么被发现的

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时间:  2016-8-24 15:26

作者: post927

科幻走向现实，不会太遥远

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时间:  2016-8-24 18:04

作者: 亮哥哥

技术大牛。赞

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时间:  2016-8-25 12:24

作者: backkombear

期待新科技发展

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时间:  2016-8-25 15:41

作者: nadyzh

wangjun19840729 发表于 2016-8-22 09:46
万事总有个过程，一步一步来，对于过分抬高和贬低当前中国在量子通信取得的成就人来说，只能说他们要么不懂 ...

说的很中肯

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时间:  2016-8-25 18:55

作者: walanwalan

不明觉厉，写的很中肯

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时间:  2016-8-26 19:00

作者: xyfmmp12345

雍秋 发表于 2016-8-24 10:25
确实看到这个新闻了。以为有什么逆天级神奇技术被攻破，看了LZ文章，才知道，刚刚推开一条门缝而已。 ...

严格来讲是由于当你年爱因斯坦和玻尔对于定域性和实在性之争引起的，EPR悖论就是爱因等三人提出的。后来的贝尔不等式以及1980年代初法国的阿斯派克特的实验证明了量子似乎是具有纠缠性质的。但是嘛，量子力学还是有许多未能解决的问题。微观上，尤其是大统一理论对于电磁力，强力弱力三种力解释的非常好，建立的数学方程也都很好，唯独引力除外。现在好了，弦论又来插一手

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时间:  2016-8-27 17:04

作者: tiger_vip

通信人应该重复发挥强大的技术能力，逻辑能力，学习能力，与时代前沿接轨

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时间:  2016-8-27 22:23

作者: fieldmouse

扫盲了

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时间:  2016-8-31 10:05

作者: fxdtysy

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时间:  2016-9-7 11:31

作者: jianfzq

对于通信来讲，速率也是关键标准之一，在讨论量子通信的时候，大多数人把这个忽略了

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时间:  2016-9-30 13:02

作者: 浮云游子意

感谢分享

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时间:  2016-10-11 17:40

作者: chengxiaili

量子通信的需要介质吗

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时间:  2016-10-17 14:57

作者: hanyongtao

感觉量子通信，要靠谱的话，还有很长的路

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时间:  2016-11-9 10:03

作者: snwj99860

加密通信  路过学习

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