袁嵐峯：這些否定量子通信的説法，為什麼是錯的？

2016-09-22

2016年8月16日，世界第一顆量子科學實驗衞星“墨子號”成功發射。在轟動的同時，對量子通信的質疑也掀起了新的高潮，有人認為它其實只是擺設，有人認為原理不通，還有人認為這完全是個騙局。許多朋友拿着各種各樣的問題來問我，我在這裏集中回答和科普一番。無論如何，中國人民如此關心一個科學問題，就像以前的哥德巴赫猜想、青蒿素，這是一件好事。科學界應該做出專業準確的回應，公眾也應該從中提高科學素養，讓社會在這種互動中進步。

2016年8月16日量子科學衞星“墨子號”發射

為了讀者閲讀方便，我先把幾種典型的否定量子通訊的意見列出來，在正文我會對諸多疑問給出解答。

問：量子通信只要有敵方存在就辦不了事，這樣的系統最終只能淪為擺設。

問：王國文的《掃謊打非：敦促潘建偉院士走出迷途》説量子通信的原理是錯的，潘建偉是騙子？

問：量子通信如果這麼好，為什麼美國歐洲不做？

問：量子通信的缺點這麼多，為什麼不繼續完善傳統通信？

問：“鬼魅般的超距作用”之類的，聽起來就不靠譜？

問：量子通信是濫竽充數，主管領導騎虎難下同流合污，所有人都知道是騙局，只有國家最高層的領導不知道！

下面是正文。

一、量子通信是什麼？不是什麼？

量子通信是量子信息這個學科的一部分，量子信息是量子力學和信息科學的交叉學科。量子信息除了量子通信之外，還包括量子計算。而媒體平時談的量子通信，一般特指量子通信中的一部分，稱為量子密碼術，或者量子保密通信，或者量子密鑰分發。量子通信中還有其他的內容，如量子隱形傳態，相當於科幻電影中的“傳送術”（我的文章《科普量子瞬間傳輸技術，包你懂！》有介紹）。

本文後面談的量子通信，都指量子密碼術。

量子密碼術，顧名思義，是一種保密的方法。所以，請切記，量子通信是一種保密的方法，僅此而已。許多人以為量子通信是一種超光速的通訊方式，相距幾光年的兩個星球之間都可以瞬間聯繫，科幻電影里老這麼演。其實不是這樣的，量子通信不能超光速。這一點也請切記，量子通信不超光速。還有許多人以為量子通信顛覆了某些物理理論，最常中槍的是相對論。這也是誤解。量子通信是量子力學、相對論這些標準理論的應用，因此不可能推翻標準理論。與其把它理解成一個推翻正統的革命家，不如把它理解成一個在現行體制下發揮奇思妙想的工藝大師。

二、傳統密碼有什麼缺點？

量子通信是一種保密的方法。那麼我們首先要問，傳統的保密方法有什麼不足？為什麼需要尋找新的保密方法？不少文章，如加州大學洛杉磯分校物理系研究員徐令予的《為什麼發展量子密鑰技術已刻不容緩》對此解釋得很清楚。下面我再向讀者簡要説明一下。

我們最容易想到的密碼，是通信雙方都知道一組編碼規則，即“密鑰”，用這組編碼規則將明文轉換成密文傳輸，那麼即使被敵方截獲，也破譯不出原文。《紅燈記》裏李鐵梅一家拼儘性命保護的密電碼，就是這樣的密鑰。由於雙方都知道，所以這種方法叫做“對稱密碼體制”。

對稱密碼體制究竟安全不安全呢？答案是：密碼本身安全，但密鑰的配送（或稱為“分發”）不安全。

我們先來解釋一下前一句話：密碼本身安全。信息論的鼻祖克勞德·香農證明了，如果密鑰是一串隨機的字符串，而且跟要傳送的文本一樣長或更長，而且每傳送一次都更換密鑰（即“一次一密”），那麼敵方不可能破譯密碼。這是一個數學定理，不是經驗總結，所以正確性是無可爭議的。

我們再來解釋一下後一句話：密鑰的配送不安全。香農的定理似乎説明，對稱密碼體制足以滿足實踐要求，但其實不是。真正的問題在於：怎麼讓通信雙方都知道密鑰？如果用電報、電話、電子郵件等信息通道傳輸密鑰，那麼被截獲的可能性很大。最安全的辦法是讓通信雙方直接見面交換密鑰，可是如果雙方能輕易見面，還要通信幹什麼？

有實用意義的是，讓可信的第三方信使傳送密鑰。從《紅燈記》到《潛伏》，無數的諜戰人員為護送密鑰殫精竭慮。這種方式的麻煩還是很大。一方面，傳送一次很不容易，密鑰更新頻率太低，現在常常是半年一換。那麼一次一密就無從談起，香農定理的條件不滿足，密碼的安全性下降。另一方面，你怎麼知道信使是“可信”的？信使叛變或被抓的例子不少，造成的危害太大了。

為了解決密鑰配送的問題，聰明的數學家們想出了另外一套辦法，稱為“非對稱密碼體制”或者“公鑰密碼體制”。你不是擔心信使嗎？那乾脆完全取消信使。這裏的關鍵在於，解密只是接收方（後面稱為B方）要考慮的事，發送方（後面稱為A方）並不需要解密，他們只要能加密就行。那好，B方打造一把鎖和相應的鑰匙，把打開的鎖公開寄給A方。A方把文件放到箱子裏，用這把鎖鎖上，再公開把箱子寄給B方。B方用鑰匙打開箱子，信息傳輸就完成了。如果有敵對者截獲了箱子，他沒有鑰匙打不開鎖，仍然無法得到文件。這裏的“鎖”是公開傳輸的，任何人都能得到，所以叫做“公鑰”，而“鑰匙”只在接收方手裏有，所以叫做“私鑰”。

這種思想十分巧妙，而它實現的關鍵在於：有了私鑰可以容易地得到公鑰，而有了公鑰卻極其難以得到私鑰。就是説，有些事正向操作很容易，逆向操作卻非常困難。因數分解，即把一個合數分解成質因數的乘積，例如21=3×7，就是這樣一種“易守難攻”的問題。

有人也許會問，這有什麼難的？分解21當然輕而易舉。但分解267–1=147,573,952,589,676,412,927呢？這是個18位數。很長時間裏，人們以為它是一個質數。直到1903年，人們才發現它是一個合數，等於193,707,721×761,838,257,287。

讓我們想想，如何分解一個數字N。最容易想到的算法，是從2開始往上，一個一個地試驗能否整除N，一直到N的平方根為止。如果N用二進制表示是個n位數，即N約等於2n，那麼嘗試的次數大約就是2n/2。位數n出現在指數上，這是非常糟糕的情況，因為指數增長是一種極快的增長，比n的任何多項式都更快。比如説，2n/2比n的10000次方增長得還要快。

在計算機科學中，把計算量指數增長的問題稱為不可計算的，把計算量多項式增長的問題稱為可計算的。當然，你可以尋找效率更高的算法。對於因數分解，“從2開始一個一個試”並不是最聰明的算法。在經典計算機的框架中，目前最好的算法叫做數域篩，計算量是exp[O(n1/3 log2/3n)]，雖然有些改進，但仍然是指數增長。如果計算機一秒做1012次運算，那麼分解一個300位的數字需要15萬年，分解一個5000位的數字需要……50億年！

基於因數分解的困難性，李維斯特（Ron Rivest）、薩莫爾（Adi Shamir）和阿德曼（Leonard Adleman）發明了一種公鑰密碼體制，用三人的首字母縮寫稱為RSA。這是現在世界上最常用的密碼系統。在實踐中，RSA往往是用來傳送對稱密碼體制中的密鑰的。也就是説，A決定一個對稱密碼體制中的密鑰，然後用B送來的公鑰加密後傳給B，B用自己的私鑰對其解密後獲得真正的密鑰，然後雙方就用此密鑰對文件加密後進行通信。

但是RSA有兩大隱患。第一點，我們只是知道目前公開的最好的算法是數域篩，但不知道是否有更好的算法。更令人夜不安寢的是，能解密的算法也許已經被某些國家、某些組織掌握了，只是沒有公佈！

第二點，這甚至不是“隱”患，而是“明”患，——前面説的算法都是在經典計算機上運行的，量子計算機卻必定可以破解RSA。1994年，肖爾（Peter Shor）發明了一種量子算法，把因數分解的計算量減少到O(n2 logn loglogn)，指數級地加快！把因數分解這個不可計算的問題變成了可計算的。同樣還是分解300位和5000位的數字，量子算法把所需時間從15萬年減到不足1秒鐘，從50億年減到2分鐘！

不過因數分解的量子算法只是理論，真要實現它還需要很多努力。第一次真正用量子算法分解質因數是在2007年實現的，把15分解成3×5。有兩個研究組同時做出了這個實驗，一個是中國科學技術大學的潘建偉和陸朝陽等人，一個是澳大利亞布里斯班大學的A. G. White和B. P. Lanyon等人。此後各國科學家不斷努力，使用種種辦法推向前進。目前分解的最大的數是143=11×13，是由中國科學技術大學的杜江峯和彭新華等人在2012年實現的。

有人可能會鬆一口氣，覺得量子計算機進展得很慢，不需要擔心。但是有一點需要注意，造出專門處理某些任務的專用量子計算機比造出通用的量子計算機要容易得多。這就好比在可編程的電子計算機出現之前300多年，岡特（Edmund, 1581-1626）和奧特雷德（William Oughtred, 1574-1660）已經造出了計算尺。最近谷歌宣佈計劃在2017年造出超越傳統計算機的量子計算機，很可能指的就是這種專用量子計算機。斯諾登披露了美國國家安全局有一個絕密的項目“穿透硬目標”（Penetrating Hard Targets），計劃建造一台專用於破密的量子計算機。據傳該局已經存放了大量外國政府的密電，一旦項目成功立刻對它們動手。這足以讓其他國家不寒而慄了！

三、量子通信如何解決傳統密碼的缺點？

我們來總結一下傳統密碼的困境。對稱密碼體制本身是安全的，但分發密鑰的信使是大漏洞。為了配送密鑰，發明了像RSA這樣的非對稱密碼體制，但它又可能被數學方法攻克。

量子密碼術針對的就是這個困境。它的辦法是：拋開非對稱密碼體制，只用對稱密碼體制，同時在通信雙方產生同一個隨機的密鑰。最厲害的在於“同時”，這就不需要信使了，堵上了對稱密碼體制的大漏洞。產生這個密鑰之後，雙方用它加密信息，再用任何方式傳輸密文，光纜也行，電話也行，電子郵件也行，甚至平信都行。也就是説，傳輸密文用的就是傳統通信方式了。量子通信真正管的只是密鑰的產生和共享，這就是它又叫做量子密鑰分發的原因。

量子密碼術為什麼能做到讓雙方共享隨機密鑰？我在《中國國家天文》2016年7月和8月刊連載的文章《從量子力學到量子衞星》中，詳細解釋了整個量子信息學科，包括量子力學的基本原理和量子計算、量子通信。如果有興趣深入瞭解，建議去看。如果不是這樣，那麼只看下面我的一個極簡版的介紹也行。

四、量子力學的基本原理

量子是什麼？就是“離散變化的最小單元”。我們上台階時，只能上一個台階、兩個台階，而不能上半個台階、1/3個台階，這就是離散變化，一個台階就是一個量子。微觀世界裏，很多物理量都是離散變化的。例如光是由一個個光子組成的，光子就是光的量子；陰極射線原子是由一個個電子組成的，電子就是陰極射線的量子。因此量子不是一種跟光子、電子、質子、中子等等並列的粒子，而是它們的一個統稱。準確描述微觀世界的物理學理論就是量子力學。

宏觀物質是由微觀粒子組成的，所以要準確描述宏觀世界原則上也必須用量子力學。中學裏學的牛頓力學只是量子力學在宏觀條件下的一個近似理論，又稱為經典力學。在經典力學適用的範圍內，量子力學的結果就等於經典力學的結果。而在此範圍之外，每當量子力學和經典力學不一致的時候，讀者只要記住“量子總是對的，經典總是錯的”，就差不多了。

你可能聽説過不少渲染量子力學如何難以理解的説法，如“連愛因斯坦都理解不了量子力學”，“費曼説，沒有人理解量子力學”。但對門外漢來説，這些説法有點誤導，會讓你以為量子力學根本説不清是什麼，是一種類似腦筋急轉彎或者詭辯的東西。實際上，量子力學在實踐層面是非常明確的，有一套清晰的數學框架，好比微觀世界運行的一本操作手冊。全世界有數以百萬計的科技人員熟悉這本操作手冊，包括我在內。什麼東西難理解？是這本操作手冊“為什麼”是這樣，這是個哲學層面的問題。但這本操作手冊本身，是十分清楚的，並沒有什麼無法理解的地方。

量子力學中有三個要點非常違反宏觀世界的常識，我稱之為“三大神秘”：疊加、測量和糾纏。在介紹這三大神秘之前，需要強調，量子力學的正確性有不計其數的實驗證據支持。現代生活中幾乎所有的材料和設備，如鋼鐵、塑料、藥物、火箭、電視、磁共振成像，都要用到量子力學。所以量子力學在實踐層面堅如磐石，其可靠性不遜於你能想到的任何其他物理理論，甚至更可靠。

第一大神秘：疊加。

量子力學有一條基本原理叫做疊加原理，説的是：如果兩個狀態是一個體系允許出現的狀態，那麼它們的任意線性疊加也是這個體系允許出現的狀態。

現在問題來了，什麼叫做“狀態的線性疊加”？為了説清楚這一點，最方便的辦法是用一種數學符號表示量子力學中的狀態，就是在一頭豎直一頭尖的括號“|>”中填一些表徵狀態特徵的字符。這種符號是狄拉克（Paul Adrien Maurice Dirac, 1902-1984）發明的，稱為狄拉克符號。在量子信息中，經常把兩個基本狀態寫成|0>和|1>。而|0>和|1>的線性疊加，就是a|0> + b|1>，其中a和b是兩個常數。疊加原理説的就是，如果一個體系能夠處於|0>和處於|1>，那麼它也能處於任何一個a|0> + b|1>。對a和b唯一的限制就是它們的絕對值的平方和等於1，|a|2 + |b|2 = 1。

假如把|0>當作你處於北京，|1>當作你處於巴黎，那麼(|0> + |1>)/√2就意味着你同時處於北京與巴黎！這種狀態怎麼可能存在呢？在人類世界也許還沒觀察到，但在微觀世界，疊加態是經常出現的，絲毫不足為奇。一個電子確實可以同時位於兩個地方，有無數的實驗證據證明這一點。至於宏觀世界裏為什麼沒見過一個人同時位於兩處，那是另一個深奧的問題，相當於著名的問題“薛定諤的貓”，我們在本文中不做更多的討論。

量子疊加

為了更方便地理解這個概念，我們可以把一個量子力學的狀態理解成一個矢量，實際上狄拉克符號|>正是為了讓人聯想到矢量而設計的。在一個由這些態矢量組成的平面上，|0>和|1>定義了兩個方向，相當於兩個座標軸上的單位矢量。在|a|2 + |b|2 = 1的條件下，a|0> + b|1>就是任何一個從原點到半徑為1的單位圓上一點的矢量。看清楚這個幾何圖象，我們立刻就明白，單位圓上任何一點的地位都是相同的，沒有一個態比其他態更特殊，“眾生平等”。再來定義兩個狀態|+> = (|0> + |1>)/√2和|-> = (|0> - |1>)/√2，它們相當於|0>和|1>都向左旋轉45度。如果把|+>和|->當作基本狀態，用它們的線性疊加來表示所有的其他狀態，同樣是可行的。取一組矢量，如果其他所有的矢量都能表示成這組矢量的線性疊加，那麼這組矢量就叫做“基組”。|0>和|1>構成一個基組，|+>和|->也構成一個基組，這樣的基組有無窮多個。

疊加原理和基組

第二大神秘：測量

在經典力學中，我們不會認為測量過程跟其他過程服從不同的物理規律。無論你看或不看某個物體，你都相信它具有某些確定的性質，如位置、速度，而且你看了以後這些性質不會變化，所以你可以隨便看。可是在量子力學中，測量跟其他過程有本質性的區別，描述測量要用與眾不同的物理規律！你看或不看某個粒子，會造成很大的區別。“看”這個動作，就會改變粒子的狀態。所以你不能隨便看。要不要看、什麼時候看是很有講究的，一定要斟酌好。

量子力學中是如何描述測量的？首先，一次測量必須對應某個基組。你可以這次用|0>和|1>，下次用|+>和|->，這是允許的，但你每次必須説清當前用的是哪個基組。然後，如果a和b都不等於0，那麼在|0>和|1>的基組中測量a|0> + b|1>時，會使這個狀態發生突變！變成|0>和|1>中的某一個。我們無法預測特定的某次測量變成|0>還是|1>，能預測的只是概率：以|a|2的概率得到|0>，|b|2的概率得到|1>。由於只可能有這兩種結果，所以這兩個概率相加等於1，這就是為什麼|a|2 + |b|2 = 1。

量子測量

這種內在的隨機性是量子力學的一種本質特徵。在經典力學中，一切演化都是決定性的，同樣的原因必然導致相同的結果。量子力學卻不是。

第三大神秘：糾纏

前面説的都只是一個粒子的體系，已經有這麼多奇妙之處。多個粒子的體系，可想而知會更加奇怪。量子糾纏就是多粒子體系的一種現象。許多科普文章和媒體宣傳對糾纏現象做了神乎其神的渲染，越講反而越糊塗了。不過在量子密碼術中，糾纏並不是必需的，可以用也可以不用。因此我們在這裏只做一個最簡單的數學描述，不多加討論。

量子糾纏

好，量子力學的三大神秘就介紹到這裏。

你也許會問：我為什麼要相信這些稀奇古怪的説法？回答是：因為有不計其數的實驗證明它們是正確的。

你也許還會問：如何解釋這些原理？回答是：目前還沒有公認的更深層的“解釋”。如果你的目的只是理解量子通信，那麼你只需要接受它們是事實就行了。科學的目的並不是提供解釋，而是提供跟實驗一致的數學描述。你覺得某些理論可以用來解釋某些現象，只是因為你從小就學這些理論，習慣了而已。真要追問下去，這些理論仍然需要解釋，而解釋它們的理論又需要更深層的解釋，無窮無盡，而人力有時而窮，很快就會到達一些目前沒有更深層解釋、你只能接受的理論。

你也許還會問：這些理論會不會是錯的？回答是：原則上，科學理論當然都有可能被新的實驗推翻。但是，量子力學並不是哪個科學家心血來潮或者向壁虛構的產物，而是在大量的實驗基礎上提出來的。科學理論跟文學藝術有本質區別，單憑腦洞大開並不能推翻科學理論。你要推翻量子力學，可以，拿出你的實驗證據來。如果你只是懷疑，那麼對不起，懷疑是這世界上最不值錢的東西，任何人都可以隨便懷疑任何事情。請拿出實驗證據，在經過同行評審的科學期刊上發表論文，這是正道。否則，你的懷疑對學術界沒有任何影響。

五、量子通信如何產生密鑰？

量子密碼術的目標是在通信兩端同時產生密鑰，而實現的方法有若干種，包括BB84協議、B92協議、E91協議、誘騙態協議等等。我們不需要深入瞭解每一種協議，只需要明白一個本質就行：量子通信之所以能做到傳統方法做不到的事，是因為疊加原理和測量的不可預測性。

作為一個例子，我們來介紹一下BB84協議。這是量子密鑰分發最早的一個方案，是1984年Charles H. Bennett和Gilles Brassard提出的。A方拿一個隨機數發生器，通俗地説就是擲硬幣，產生一串0和1，得到0的時候發出一個處於|0>態或|1>態的光子，得到1的時候發出一個處於|+>態或|->態的光子。B方收到每個光子的時候，並不知道對應着A的0還是1。他也拿一個隨機數發生器，得到0的時候就在|0>和|1>的基組中測量，得到1的時候就在|+>和|->的基組中測量。那麼我們看到，當A和B的隨機數相等的時候，光子的狀態就是B的基組中的一個，所以不會變，而當A和B的隨機數不等的時候，光子的狀態不是B的基組中的一個，所以會突變。當B接收和測量完之後，雙方公佈自己的隨機數序列，比如説A是0110，B是1100，然後找出其中相同的部分，在這裏就是第二位的1、第四位的0。在這些相同的部分，規定A發出|0>或|+>時記下0，發出|1>或|->時記下1，B測得|0>或|+>時記下0，測得|1>或|->時記下1。這樣又得到兩個0和1組成的數列，分別保存在雙方手裏，不妨記作a和b。在沒有敵人干擾的情況下，可以肯定這兩個數列a和b是完全相同的。

現在假設有一個壞人E在竊聽，我們還假設E非常神通廣大，A發給B的每一個光子都先落到了他手裏。即使在這種最不利的情況下，E也偷不走情報。為什麼呢？E要知道當前這個光子處在什麼狀態，就要做測量。但他不知道該用|0>和|1>的基組測量，還是用|+>和|->的基組測量。那麼他只能瞎猜，這就有一半的概率猜錯，猜錯以後就會改變光子的狀態，a和b這兩個數列就可能出現不同。現在通信雙方在a和b中挑選一段公佈，本來應該是完全相同的，假如出現了不同，那麼他們就知道有人在竊聽，這次通信作廢。隨着這段公佈的字符串的長度增加，E的竊聽被發現的概率迅速接近100%。如果公佈了很長一段，都完全相同，那麼可以確信沒有竊聽，通信雙方就把a和b中剩下的部分作為密鑰。

我們看到，通信雙方不通過信使，就同時獲得了密鑰。此外，一旦有人竊聽，通信方立刻就會發現。這兩點是量子通信的本質特徵，不限於BB84協議，其他任何協議都是如此。這是由量子力學的疊加和測量性質決定的。因此，量子通信的安全性是物理原理的產物，而不是像RSA那樣是數學複雜性的產物。計算技術的進步可以破解RSA，卻不能破解量子密碼。

怎樣才能破解量子密碼呢？如果否定了量子力學原理，就可以破解。但如果有人為此想去推翻量子力學，那就掉到一個巨坑裏去了。如前所述，量子力學是個極其堅固的理論，經過了上百年的考驗，其應用遍及現代生活的所有角落。可以這麼理解：量子力學的可靠性超過牛頓力學的可靠性、傳統通信的可靠性。如果你不擔心自己住的房子倒塌、自己的電話打不出去，那麼有什麼理由不信比它們更可靠的量子力學呢？

六、量子通信的安全性怎麼樣？

以上描述的是量子保密通信的原理，在原理層面它確實是可以做到絕對安全的。在實踐當中，由於種種條件的不完美，可能有各種各樣的漏洞。舉個例子，前面説A方發射的是單光子，但實際的單光子發射器效率很低，用它的話傳輸得很慢。效率高的是激光光源，但激光又不是嚴格的單光子，有一定的幾率出現多於一個光子，這就給竊聽者留下了可乘之機。原則上，竊聽者可以把所有的單光子都攔截下來不讓通過，在遇到兩個或更多光子時拿走一個，讓其餘的光子通過，這樣就可以竊密。這叫做“光子數分離攻擊”。

這些漏洞的效果，一般不是把量子通信變得完全不保密了，而是給安全傳輸的距離設置了一個上限，超過這個距離就可能泄密。量子通信最初的實驗傳輸距離不到1米，現在在光纜中保密傳輸的距離已經超過了200公里。

量子通信研究者經常乾的事，就是尋找各種可能的漏洞，以及尋找各種堵漏洞的辦法。找到並堵上的漏洞越多，這個學科的進步就越大。例如現在最常用的實驗方案叫做“誘騙態協議”，相當於BB84協議的一個升級版，有效地剋制了光子數分離攻擊，把安全距離從不到20公里提高到了超過200公里。值得自豪的是，清華大學的王向斌教授和馬雄峯教授屬於最早提出誘騙態協議的幾個人中的兩個。BB84協議、B92協議、E91協議中沒有中國科學家的貢獻，而誘騙態協議中就有中國科學家的重要貢獻，這説明我們雖然起步晚，但迅速走到了國際前沿。中國人的智慧和志氣，就應該表現在這種事情上！

有人建議量子通信實驗設置“藍軍”，引進竊聽者。殊不知這個學科從一開始就是這麼做的，這個建議是把研究者想得太天真了。別忘了這幫人是幹什麼的！可以説，一般人能想到的攻擊手段，研究者早就想到了。研究者想到的攻擊手段，一般人卻可能聽都沒聽説過。

例如，近年來量子通信的一個熱點研究領域是，發現實際體系中大部分漏洞來自於測量儀器，所以發明了安全性與測量儀器無關的量子密鑰分發技術。這個新技術是潘建偉團隊率先實現的，被評為2013年全球物理學十大進展和2014年中國十大科技進展之一。一個具體的例子是，有人提出，用強激光照射接收器可以將其“致盲”，然後就可以控制它欺騙通信者。連這樣的攻擊手段，潘建偉團隊都給出瞭解決方法。這樣深邃的攻防，非專家能想象到嗎？好比兩大高手在用降龍十八掌對戰蛤蟆功，你卻問他們能不能防住黑虎偷心，豈不可笑？

在實踐層面，量子通信為2009年國慶大閲兵、2012年黨的十八大等國家重大活動提供了保密通信服務。在北京、濟南、合肥、蕪湖、上海等地開通了量子政務網，近期打算建成的世界第一條量子通信保密幹線“京滬幹線”就是把這些城市節點連接起來，長度達2000多公里。中國工商銀行、北京農商銀行等金融單位已經開始試用量子通信設備。

總而言之，量子通信的安全性究竟怎麼樣？在原理層面，可以絕對保密。在實用層面，由於各種不完美，會有種種攻擊手段，也有種種防護手段，最終結果是隻在一定的條件下保密，而這些條件在不斷放寬。這是個活躍的研究領域。如果以為量子通信已經一勞永逸地解決了保密問題，那是錯誤的。但如果以為量子通信一點用都沒有，那就錯得更離譜了。

七、量子衞星是幹什麼的？

為什麼要發顆衞星上去呢？是為了開創一條新的技術路線。迄今為止的量子通信實驗都是在地面上、光纜中進行的，而光纜中的安全傳輸距離只到200公里。要傳得更遠就需要中繼器，而中繼器的可信度又是個問題。在地面上要多少箇中繼器，才能從中國傳輸到歐洲呢？與其這樣，不如換個思路，讓衞星跟中國和歐洲分別進行量子通信。這就繞開了地球曲率的影響，一顆衞星就能覆蓋非常廣大的區域。將來建成20顆衞星的星座，就可以覆蓋全球。

衞星量子通信示意圖

衞星和地面通信，只需要考慮光子在大氣層中的損耗就行了，因為在真空中基本沒有損耗。在某些波段，光子穿過10公里厚的大氣層只損耗20%，所以星地通信在技術上應該是可行的。

星地通信的一大挑戰，是衞星跟地面處於高速的相對運動之中，把雙方的探測器對準，好比“針尖對麥芒”，相當於在五十公里以外把一枚一角硬幣扔進一列全速行駛的高鐵上的一個礦泉水瓶裏，需要非常高的控制精度。不過説到底，這比引力波探測的要求還是低多了，引力波都能探測到，星地對準肯定也是能實現的。8月28日，墨子號量子衞星發出綠色信標光，興隆地面站發出紅色信標光，雙方進行了對準試驗。經過10秒的曝光，形成了紅綠交匯一條線的壯觀景象。信標光不是用來做通信的，只是對準，通信用的單光子也不可能看到。通信的實驗，將在接下來的幾個月間進行。

興隆站星地對準試驗（感謝拍攝者韓越揚授權使用）

除了量子密鑰分發的實驗外，在兩年的設計壽命內，墨子號還將進行其他實驗，如量子隱形傳態、量子糾纏分發。説起來都是量子科學實驗，科學內容還是不同的。而由於量子密鑰分發是其中相對容易的一個，所以可能會放在最後做，抓緊時間先做難度高的。因此，如果過一段時間看到其他實驗的結果先出來了，請不要吆喝起鬨：“怎麼不做量子通信？假貨！”

八、量子通信怕干擾，所以沒用？

下面我們來分析常見的幾種否定量子通信的説法。首先是一種技術性質疑，典型代表如上海大學理學院曹正軍副教授的文章《量子通訊是否真的無懈可擊？》。他認為：

這種看似無懈可擊的通信方式，實際上是以犧牲信號穩定性為代價的，一旦存在敵方的任何形式的入侵行為，不管是竊聽、複製還是干擾，量子通信都將無法實現，而傳統的密碼體系，都是假設敵方可以獲取信息，但是從計算複雜性上讓敵方無法破解。

“如果敵手消失了，那麼任何密碼技術都是多餘的。”在他看來，從這個意義上説，量子通信可以説是只要有敵方存在就辦不了事，而這樣的系統，最終也只能淪為擺設。

……通訊的首要目的是穩定性，即接收方能夠正確地恢復出發送方發送的信號。

相對而言，討論這個問題是值得歡迎的。跟下面舉的各種不入流的否定相比，這是層次最高的一種，因為談的是科學問題，這已經很不錯了。

當有人竊聽時，量子通信確實會終止。但是，這種終止是好事還是壞事？正常的價值判斷，應該是好事！因為保證了沒有泄密，這正是研究保密通信的目的。“通訊的首要目的是穩定性”，這個觀點我們是不同意的。如果穩定和保密能夠同時實現，那當然是最好的。但如果不可得兼，你選擇哪個？曹正軍的意思是，選擇穩定。那就是説，根本不在乎泄密。既然如此，你還研究什麼保密通信呢？

量子通信實際的意義，不是強制人們一定要用它，而是給人們增加了一個選擇。日常生活中確實有許多通信是不在乎保密的，那麼用傳統通信就好了。但誰也不能否認，有些情況下保密的需求壓倒一切，如軍事指揮、金融數據。二戰當中，盟軍破譯了德國、日本的密碼，給軸心國造成了巨大的打擊，山本五十六就是因為行程泄露被擊斃的。保密需求壓倒一切的時候，如果你有量子通信，你覺得該不該用？

質疑人士會説啦：我可以一直竊聽，讓你傳不出去！

吶，在這裏就表現出傳統通信和量子通信一個本質性的區別了。你之所以覺得竊聽可以一直進行，是因為延續了傳統通信的思維習慣，但對量子通信情況就大有不同了。傳統通信中，通信方無法知道是否有人在竊聽。可是量子通信中，竊聽必然會被通信方發現，這是一個巨大的優勢。難道通信方就傻乎乎地坐着，不去利用這個優勢嗎？正常的辦法，應該是派出警察、軍隊去抓間諜。實際上，量子通信能夠知道竊聽發生的時間，乘以光速就給出了位置，所以真要抓的話，一抓一個準。

因此，對敵方來説，干擾量子通信成了風險極高收益極低的事。花很高的成本培養一個間諜，偷不到信息，只能阻斷一次通信然後就暴露，這樣做值得嗎？如果真有個間諜可用，隨便乾點什麼，破壞不比這個大？真是連自殺式攻擊都不如。

用一位朋友的比喻説，傳統的保密好比給自行車加鎖，量子通信好比在自行車旁邊放了個攝像頭，有小偷過來就會看見。單純“會被看見”這一點，就會給小偷施加巨大的壓力，許多小偷就放棄嘗試了。這個比喻很形象。正如曹正軍所説，保密技術總是要假定敵手存在，“如果敵手消失了，那麼任何密碼技術都是多餘的”。但是，量子通信可以通過暴露的威懾，讓敵手不敢出手，就像攝像頭提高安全性一樣。

如果有人一定要把“能被阻斷”作為量子通信的缺點的話，那麼我們必須指出：傳統通信也是如此。如果敵方就是不惜一切代價要阻斷你的通信，那麼任何通信都會被阻斷。這並不是量子通信特有的問題，而是所有通信共同的問題。劉慈欣有一部著名的小説，就叫做《全頻帶阻塞干擾》！

九、量子力學原理是無稽之談？

這方面的典型代表是北京大學物理學院退休教師王國文，他的一篇文章《掃謊打非：敦促潘建偉院士走出迷途》最近被到處傳。這標題就充滿了大字報風格，更滑稽的是還發在科學網博客上……我們來看他説了些什麼吧：

筆者與量子打交道久長（一甲子），對量子真相探究的昔今情況比較瞭解，包括哲學、數學、理論和實驗方面。自己漫長從容的探索也有所收穫，結果可以説，還是擁護愛因斯坦、玻爾、德布羅意、薛定諤、海森伯、狄拉克、玻恩、蓋爾曼、温伯格等不承認有鬼魅隔空作用。説隔空作用存在，愛因斯坦錯了，細查並無確實的實驗根據。如今，眼看量子物理被曲解，科學精神被罔顧，良知被泯滅，納税人的辛苦錢被糟蹋，有些想法越來越覺得不得不説。從物理理論和實驗兩方面考察，有足夠理由認為：所謂的非定域關聯（非定域性，隔空鬼魅作用）——“當測量一個粒子時，另一個與之關聯的粒子會瞬時改變狀態，無論它們相距多麼遙遠。”——純屬謊言，因而所謂“量子隱形傳態可用於大容量、原則上不可破譯（萬無一失）的保密通信，也是量子計算的基礎。”是無稽之談。簡而言之，量子隔空傳輸是巫術，多光子量子隔空傳輸是魔術加巫術。相信這個斷言絕對經得起歷史的檢驗，無後顧之憂，無需説等着瞧。因此，對潘建偉學術工作的評價概括為：依據的理論（teleportation理論）——荒謬絕倫，實驗的路線——胡作非為，所謂的結論——肆意編造，所做的驗證——虛偽假冒，所稱的應用——畫餅充飢。

一般人可能看不懂他在説什麼，只知道他在憤怒地聲討潘建偉。物理專業的人明白，他是在説量子糾纏不存在。但是，量子糾纏是一個有許多實驗證據、學術界普遍接受的現象！如前所述，量子力學好比微觀世界運行的一本操作手冊，包括我在內，全世界有數以百萬計的科技人員熟悉這本操作手冊。王國文完全沒有給出任何實驗證據，單憑嘴上翻來覆去地説，但這不會對學術界的共識有任何影響。

王國文在做出一個毫無實驗支撐的斷言之後，還繼續用大話空話給自己打氣：“相信這個斷言絕對經得起歷史的檢驗，無後顧之憂，無需説等着瞧。”這是很可笑的做法，好比在萊特兄弟發明飛機之後，還在反覆聲明“用比空氣重的材料不可能造出能飛的機器”。即使重複次數再多，嗓門再大，詐唬住的外行再多，難道就“絕對經得起歷史的檢驗”了嗎？

王國文此文還引用了許多網民言論批判潘建偉，作為對自己的支持：

網民曾怒斥潘建偉團隊的八達嶺-懷來的和青海湖上的光子隔空傳輸實驗：“真夠不可思議的了”，“夢想中的夢想，而且是白日做夢。”，“原理還沒清楚就開始吹快要實際應用了”，“這也敢拿出來，你真以為人都傻了嗎？”，“把科幻電影的劇情發到學術刊物上了？”，“假的，不可能。”，“偽科學”，“忽悠，接着忽悠。”，“國產零零七”，“騙子漫天飛，這年頭兒。”，“劉謙的魔術”，“張宏寶第二”，“這項成果可以獲得諾貝爾吹牛獎”，“中國又開始出新的氣功大師了”，“科學家都快等價於巫師了”，“我寧可相信河南有虎，這個決不信”，“見鬼了吧”，“愚人節嗎？”，“什麼是扯蛋？這就是扯蛋！”，“想圈錢？”，“國家應該立案嚴查，絕不能讓這些騙子得逞。”，“一派胡言”，“沒出成果別亂吹”，“畝產萬斤，畫大餅，炒作。”，“看來小潘是孫悟空再世了”，“跟在教堂聽的感覺差不多”，“讓我覺得他就是喜歡吹牛的大忽悠”。他們像一羣嚷嚷皇帝沒有穿新衣服的孩子，反映華夏子民的正義感和智慧。

請問，網民的話什麼時候可以用來判斷科學問題了？！還“反映華夏子民的正義感和智慧”？！這像是一個大學教師説的話嗎？

在這裏，應該強調一個科學規範的問題。學術界通行的討論方式，是在經過同行評議的雜誌上發表文章。曹正軍和王國文等人雖然具有學術身份，但是如果不在正規科學期刊上發表文章，他們的觀點就不會進入科學共同體的科學探討。在網絡上發表文章的做法，説到底與民科差不多，只能影響輿論，不能影響科研。如果量子通信工作者對這些無理攪三分的質疑都要回應，那他們哪還有時間做研究？對科學問題，只有符合學術規範的質疑才值得認真對待。

普通人往往對科學界有一種陰謀論的想象，一羣人共謀隱藏真相，只有少數正直的人站出來揭穿他們。這種圖像不符合人性，因為指出錯誤的收穫太大了。要給出多大的利益，才能讓這麼多人共謀呢？推翻一個學科是一種巨大的學術成果，如果可行的話，早就有許多科學家去做了，可以名利雙收。他們為什麼不做？因為推翻不了。

量子通信的研究者們是一個開放、公開、遍佈全球、互相監督的團體，不是某些人想象中的陰謀集團。應該把科學家理解為正常人，而不是陰謀家。外行犯這種錯誤，還可以理解。王國文這樣的大學教師犯這種錯誤，就太不應該了。

十、美歐不發展量子通信，是因為知道技術不成熟？

這也是一種常見的論調，許多人問：量子通信如果這麼好，為什麼美國歐洲不做？是不是這條技術路線不成熟，或者壓根就是偽科學？例如在王國文的文章中説：

據説，美國量子通信計劃已經亂作一團（floundered），“先端情報研究計劃活動（IARPA）”表示，將不再向各種量子通信項目提供資金。

……2009年《自然》雜誌發消息稱“鬼魅研究削減(Spooky research cuts)——美國情報機構大刀闊斧砍掉量子計算工作經費”，那是指2007年美國“先端情報研究計劃活動”停止和收回對光量子信息研究的資助。……這項削減引起世界量子信息領域人士的驚慌，也給澤林格和潘建偉的量子隔空傳輸事業敲起喪鐘。2007年以後，“鬼魅研究”在奧地利和瑞士還在開展，在我國因有潘建偉而變本加厲。多年來實事一項無成的情況未變進一步證明那是一個騙局。

還有網民表示：“我不懂專業，但從樸素的感情出發，我不信中國能做出世界第一的科技貢獻。”“短期內凡聲稱有超過美國的黑科技肯定是騙局。”

這種觀點的錯誤，首先在邏輯上。別忘了，當中國落後時，同樣這些人經常抱怨中國沒有創新。現在中國領先了，這些人又認為：你怎麼能走在別人前面？肯定是假的！我要請問一下，跪着很舒服嗎？發生什麼才能讓你們站起來呢？這是典型的失敗者思維方式，自己失敗就不相信別人能成功。

難道中國的科研就一定要跟在美歐後面亦步亦趨？難道我們就不能為天下先，首先做到別人沒做到的事？中國的量子通信研究成果多次獲得國際大獎，入選世界十大科技進展，難道評選者都瞎眼了嗎？

這種觀點的錯誤，也表現在事實上。你當然可以找到某些時間某些國家砍掉某些項目的例子，你也可以説美歐以前對量子通信沒有像中國這樣重視。但是，認為美歐放棄了量子通信研究，那就完全錯了。

2016年5月，歐洲發表了《量子宣言》，宣佈將從2018年起啓動10億歐元的量子技術旗艦研究計劃。其中的第一項研發目標，就是“發展能用於密碼術和竊聽檢測的量子中繼器的核心技術，實現長距離、點對點、量子安全的連接”。這是0-5年要實現的短期目標。在5-10年的中期目標中，有“通過量子網絡實現城市間的安全通信，提高信息安全性，使竊聽成為不可能”，以及“演示地面到衞星的量子密碼術”。在10年以上的長期目標中，有“用運行量子通信協議的量子中繼器，創造一個連接歐洲各主要城市的安全快速的量子互聯網”。這些不都是量子通信嗎？而且可以發現，這些目標中有些是中國正在做的，他們卻排到5-10年後。在這個意義上，現在是中國在引領潮流，歐洲在跟着中國亦步亦趨呢！

2016年7月22日，美國國家科學技術委員會發布《先進量子信息科學：國家挑戰及機遇》報告。報告總結了量子信息科學的應用前景，分析了美國在該領域發展所面臨的挑戰，以及目前的投資重點等。其中提到：

量子通信是目前較活躍的研究領域。其中，量子密鑰分配研究近期受到廣泛關注。近期，量子通信還可能應用於虛擬貨幣防偽和量子指紋鑑定等。遠期應用方面，量子網絡將連接分佈式量子傳感器，用於全球地震監測。未來5-10年，將開發出可靠的光子源及相關技術，實現遠距離量子信息傳輸，並推動量子處理器間數據共享協議的相關理論研究。

……美國國防高級研究計劃局（DARPA）將持續資助量子信息科學不同領域的項目，其中：1、“量子輔助傳感與讀取”項目尋求研發在低於或近於標準量子極限條件下工作的傳感器；2、Quiness項目正在探索改進量子通信的各種方案；3、“光學晶格仿真器”項目旨在模擬原子系統中量子材料的屬性；4、“量子糾纏科學與技術”項目尋求克服量子信息科學領域突出挑戰的創新性方案；5、近期啓動的“光子探測的基礎極限”項目旨在研發促進光子探測器建模與製造方面革命性進步的創新方案。

請看，美國放棄量子通信研究了嗎？

實際上，美國歐洲大幅增加對量子信息研究的投資，很大程度上是受到了中國進步神速的刺激。對此，那些永遠自卑的人會説些什麼呢？

十一、為什麼不把希望放在完善傳統通信上？

有人給量子通信吹毛求疵地找出了一大堆“缺點”，其實説來説去，最大的“缺點”就是有人竊聽時不能通信，如前所述。好吧，不用量子通信，那打算用什麼呢？他們的回答是：傳統通信才是正道，還有很多潛力可挖。具體的辦法，中國民航管理幹部學院程碧波發表論文《容量加密：大密鑰等長加密》，認為用大容量存儲材料一次分發大量密鑰可以實現量子計算機也無法破解的絕對安全（相當於現在銀行用的U盾），也有説發展RSA之外的公鑰密碼體系的。

我們首先應該肯定，發展新的傳統通信方法是有價值的。任何新的技術路線都值得歡迎，它們都可能有適用的範圍，應該認真研究。但是，我們也需要認清，傳統通信不能解決根本問題，量子通信才代表未來。

量子通信在物理原理層面杜絕竊聽，這是一個巨大的優勢，不是傳統通信修修補補就能找回來的。發U盾，會遇到對稱密碼體制的老問題，信使不安全。其他公鑰密碼體系的算法，照樣有可能被計算技術的進步攻克，更危險的是，也許已經被攻克了。

可以用一個經典的比喻，量子通信好比火車，傳統通信好比馬車。火車剛出來的時候，在很多方面不如馬車。例如火車只能在鐵軌上跑，馬車可以去任何地方。火車剛開始跑得很慢，還不如馬車。火車還經常出毛病，動不動就趴窩。但即使有這些缺點，有遠見的人還是能看明白，火車改進的空間遠遠大於馬車，未來一定是屬於火車的，因為在原理上火車就比馬車強，能夠做到很多馬車做不到的事。發展馬車技術當然是好的，但如果因此拋棄了火車，那真是愚不可及了！

十二、對量子通信的描述聽起來就不靠譜？

舉個例子，潘建偉在一個科普報告中説：“比如説我在上海的航班延誤了，但要在幾分鐘之內到北京，怎麼辦？我坐飛機肯定不行了，但是如果説北京和上海之間我有兩團糾纏物質的話，我可以對上海的這個潘建偉和旁邊這種糾纏物質進行一種測量，把它都變成一個個糾纏粒子，那麼你會得到一組數，通過這無線電台可以把它發射到北京。到了北京之後，可以對這團物質再做一種所謂的幺正變換，就可以用同樣多的物質把它給重構出來。這樣一種過程，我們就把它叫作量子世界的筋斗雲。當然，要傳送人、傳送比較複雜的客體，還需要比較長的時間。”

對此，有人嘲諷道：“潘建偉大師的終極目標是大變活人，用量子糾纏態進行隱形傳輸，把一個人分解了以接近光速瞬間傳輸到另一個遙遠的地方組裝，這麼重大的軍事價值，國家應該投資幾萬億。”

顯然他沒有看懂，這只是對量子隱形傳態的一個比喻。1997年潘建偉參與實現了光子的一個自由度的量子隱形傳態，入選《自然》雜誌的“百年物理學21篇經典論文”。2015年潘建偉、陸朝陽等人實現了光子的兩個自由度的量子隱形傳態，被英國物理學會評為年度十大物理學突破之首。這些是實實在在、獲得公認的科學成就。原理上，用量子隱形傳態是可以傳人的，只是人體的自由度大概有10的28次方之多，所以離實現還太遙遠。

科學家在媒體面前經常有一種無奈：説得專業、準確，對方聽不懂；做個形象的比喻，又損失了準確性。普通人如果感到媒體上的一些表述不可思議，應該想到這可能只是一個形象的説法。他們要是給你擺出一堆數學公式和實驗儀器，嚴謹倒是嚴謹了，你看得懂嗎？因此，要質疑科學家，針對的應該是他們的科學著作，而不是媒體上的比喻。

舉個例子，我的文章《科普核聚變》，從專業的角度看來已經比較淺顯了，許多讀者表示看懂了，但也有大片喊“看不懂”的。如果有人因為自己看不懂就認為核聚變都是騙人的，你覺得他有道理嗎？

大家要想明白一個基本道理，現代科學是很不容易學會的，博士寒窗苦讀十幾年不是白讀的。三言兩語就給普通人講得完全理解，世界上怎麼可能有這麼便宜的事？科普只是儘量給讀者講清楚科學道理，但人力有時而窮，科普不可能代替長期的專業學習。你坐汽車、飛機的時候，有沒有先完全理解內燃機的原理？大多數人沒有，只是相信專業人員而已。這是現代社會能夠運行的基本前提。如果你什麼都不信，那隻能住到山洞裏去了。

十三、量子通信整個是騙局？

如果説以上這些還算在講道理，那麼有些人是最糟糕的，一點道理都不講，直接造謠傳謠。例如有一張圖片到處傳，説量子通信是濫竽充數，主管領導騎虎難下同流合污，所有人都知道是騙局，只有國家最高層的領導不知道。什麼樣的人，才會相信這種完全不講任何證據的污衊？

其實，關於量子通信已經有了許多很好的科普作品，引起了廣泛的興趣。很多讀者即使沒有完全看懂，也提高了科學素養。但上述這些否定量子通信的人，全都充耳不聞。他們不明白，量子通信不僅是一個工程項目，也是一個科研領域。全世界有成千上萬的科學家在進行研究，成果公開發表在科學期刊上。如果科學原理方面有什麼錯誤，一來投稿時通不過評委審議，二來即使發表了也會被更大範圍的同行發現。如果量子通信像這些人説的這麼糟糕，早就被提出來，而且引起熱烈的討論了。之所以沒有，正是因為這些觀點不成立，在正規學術期刊上發表不了。

十四、如何看待這些否定量子通信的言論？

需要強調一下，量子通信不是個可有可無的問題，而是個生死攸關的問題。當量子計算機實用化時，傳統通信將變成完全無密可言。習近平主席説，要確保不被敵實施技術突襲。而沒有量子通信，就會被技術突襲。有沒有量子通信，不是80分和90分的區別，而是0和1的區別，甚至生和死的區別。因此，非理性否定量子通信的説法對社會的危害不小，需要認真對待。

在哲學層面上，世界上總是有人通過建設來表現價值，有人通過詆譭別人的建設來表現價值。謾罵量子通信的網絡輿論，是自暴自棄者的狂歡，表現出人性的醜陋一面。魯迅先生的兩段文字，正像為今日所寫，歷久彌新：

我獨不解中國人何以於舊狀況那麼心平氣和，於較新的機運就這麼疾首蹙額；於已成之局那麼委曲求全，於初興之事就這麼求全責備？（《華蓋集·流產與斷種》）

願中國青年都擺脱冷氣，只是向上走，不必聽自暴自棄者的説話。能做事的做事，能發聲的發聲。有一分熱，發一分光。（《熱風·隨感錄四十一》）

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