【原创】大梦说：拨开迷雾看“量子通信”—— 理性分析切勿夸大

tiger_vip

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