量子通訊爭議：量子派和經典派誰會笑到最後？_風聞
返朴-返朴官方账号-关注返朴（ID：fanpu2019）,阅读更多！2019-05-24 09:16
**撰文 |**姬揚（中國科學院半導體研究所研究員）
經典派有經典派的誤區，量子派有量子派的罩門。
量子通訊爭議的雙方是經典派和量子派，他們對保密通訊有兩種不同的看法：經典派採用的是數學方法，賭的是你隨便聽、反正你解不了密；量子派採用物理方法，賭的是隻要你偷聽、我就能知道。最近幾年，量子派在學術界的風頭很勁，而經典派只能在網上搞些爭議。
上次我在《量子保密通訊，經典派陷入的N個誤區》中提到，量子通訊爭議中，經典派在戰略上太託大（沒有重量級的人物站台），在戰術上太自大（對量子密鑰傳輸的技術細節研究不夠透徹，與量子物理學的理論基礎相悖），所以在辯論中落在下風、搞得灰頭土臉的。
那麼大家就要問了：照你這麼説，量子派完勝！還爭議啥？散了散了，都回家吃瓜算了。然而，事情並沒有這麼簡單。
量子派的罩門在哪裏？
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點，也有缺點。在我看來，量子派一大優點是宣傳搞得好，而最大的缺點是宣傳搞得太好了。
量子派的優勢
首先，量子通訊的宣傳確實搞得好，這為量子通訊成為一個熱門社會話題立下了大功。
貝爾不等式把量子力學的爭論從哲學思辨領域帶入了實驗驗證領域，BB84協議第一次給出了一種理論上的方法檢驗是否有人在偷聽，這些都是了不起的理論貢獻，其具體實現也是偉大的實驗進展。然而，自從在實驗室驗證了BB84協議，之後的發展都是直截了當的：試用不同的單光子源，或者換用糾纏光子源；提高單光子源或糾纏光子源的效率；用單光子干涉態替換偏振態；試用不同的單光子探測器並提高其效率；改用新的通訊協議（如誘騙態協議）；延長量子通訊的距離。但這些主要是工程方面的進展，以延長通訊距離為例，如果張三和李四能夠在一個屋子裏實現量子通訊，那麼他們搬到馬路對面的兩個屋子裏，在一個城市的兩端，兩個不同的城市，甚至一個在天一個在地，張三和李四採用的設備都不用變化，需要考慮的問題只是光信號的損耗——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。其中確實有很多非常有挑戰性的工程問題，但都難以算是科學問題，不知道為什麼會那麼引人注目。
再看看關於量子通訊“漏洞”的討論。量子通訊領域討論的攻擊，都是極限狀態下的攻擊，給王麻子的權限非常高，只要不違反自然規律，都可以使用——有時甚至賦予他一些超自然的力量。例如之前説過的“探測器致盲攻擊”和“注入攻擊”，王麻子發出一束很強的光照進張三或者李四的工作室裏，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“光子數分離”（PNS）攻擊，王麻子不但擁有神奇的“剝皮”功能（從同時過路的幾個光子中“扣下”一個或幾個，還能讓剩下的幾個毫髮無損地“走人”）和強大的量子存儲能力（長時間的把光子保存下來，因為必須等到張三和李四用大喇叭喊話以後才能進行測量），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光子，李四在那邊數數就會發現自己經常性地丟失光子——肯定是有人搗亂了），這種通敵行徑簡直是“令人髮指”。量子派唯一的底線是承認，完全的中間人攻擊是無法抵抗的，但這相當於説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，根本不是勢均力敵的對抗。
更別説那些經常出現在科普文章裏的量子力學（特別是量子糾纏）的神奇解釋了。這種討論進行得熱火朝天，彷彿連玻爾和愛因斯坦都恨不得從天堂裏跳下來，抱着薛定諤的那隻貓來參加討論。
現在有些明白了，這些都是宣傳的技巧。量子派激烈地討論這個“漏洞”、那個“攻擊”，給王麻子賦予各種神奇的能力，其實是因為量子通訊在發現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、可能會讓人急死；另一個是量子通訊只是信息安全系統這個整體的一部分，並不能包打天下。
所以説，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的方面：發現偷聽者。
量子通訊的短板
量子派當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（每次按需發射1個且只有1個光子）目前還沒有實現，大多是用衰減脈衝激光束的方法近似實現，如果衰減足夠大，就可以近似地看成單光子源，如平均每束光裏只有0.1個光子，也就是説，每10次發射只有1次有1個光子，其他9次都是空的，那麼100次發射才會出現1次有2個光子的情況（以此類推,1000次中有10次2個光子,1次3個光子，等等），如果覺得還不夠，就讓每束光裏只含有0.01個光子（發射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，就要提高每束光裏的平均光子數，但是，一次發射出現多個光子的次數就會顯著增多，為了抵禦“光子數分離”攻擊，才提出了誘騙態協議。簡而言之，BB84協議是，0個和1個有顯著的差別，有就是有、沒有就是沒有，誰都別想騙我；誘騙態協議是，1個和3個（隨便説的一個數，只要這個數很小就可以了）也有些差別，王麻子拿走一個兩個的，我還是能發現的。在誘騙態協議裏，每次發射的平均光子數仍然是1的量級（例如0.5或者0.7，絕對不是10或者100，丟了一個還是會有顯著結果的），但是已經比0.1和0.01好得多了，而且也能夠發現是否有人在偷聽。
正是因為有了誘騙態協議，量子通訊的有效傳輸範圍才能夠從二三十千米拓展到上百千米。京滬幹線總長度是2000多千米，有32箇中繼站，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，因為糾纏光子源位於這兩個人的中間，同時向他們各自發射一個偏振關聯的光子（糾纏光子對就是這個意思）。這種方法能夠達到的距離是有上限的，主要來自於傳輸過程中的光損耗：基於光纖的量子通訊系統，目前最遠的傳輸距離是400千米，而傳碼率只有可憐的每小時1比特；基於墨子號衞星的系統，兩年前大約是每秒1萬比特（我在衞星發射前的估計是每秒鐘幾千比特），現在據説達到了每秒40萬比特（這個可能是基於單光子通訊的星地傳輸，而不是地面兩個基站之間通過衞星中介的信息傳輸）。
至於量子通訊只管張三和李四這一段，如果組成通訊網絡必須考慮各個站點的保密問題，這是顯而易見的，量子派肯定知道這一點，而且並不覺得這真的是個問題——只要採用經典派現成的技術就可以了。量子通訊並不是只能用量子方法，量子方法只是整個信息安全體系的一個有機部分。為了系統的總體目標，當然是可以無所不用其極——你憑什麼限制我？
但是話説回來，量子派在成功宣傳的同時，也留下了一些後患——他們的宣傳太成功了，讓很多人（包括出來反對量子派的經典派人物）以為，量子通訊具有“絕對安全性”、甚至能夠包打一切，結果量子派給自己挖了一個坑，一個很深很大的坑。
孰吉孰兇？孰去孰從？
説到這裏，不免想戲謔一下經典派和量子派。上次我們提到：因為出來唱反調的經典派犯了一些非常簡單的錯誤，還試圖推翻量子力學的基礎，簡直不忍直視，看上去就跟量子派的“托兒”似的——好像就是為了製造有爭議的假象，讓人們的注意力集中在量子派的優勢方面。不過“經典派”可能也棋高一着呢，他們一直沒有大人物出來站台，也許是因為大人物早就看清形勢了：你們量子派鬧得再兇，也不可能包打天下，將來還是要用經典方法和經典網絡。
我覺得，量子通訊爭議這件事有些像談戀愛。天天到公主窗前送鮮花、唱情歌的，並不一定能抱得美人歸。就算你歌唱得再好、海豚音飈得再高，也只能贏得吃瓜羣眾的喝彩，而真正的白馬王子可能早就登門入室、與公主共進燭光晚餐了——人家才不會出來和你賽歌呢，最多給你個神秘的微笑。
量子派也許只是個飆海豚音的，人家經典派才是真正入洞房的！
簡而言之，量子派既有優點，也有缺點。量子派最大的優點是宣傳搞得好，成功地將人們的注意力集中在他最擅長的方面——發現偷聽者。量子派最大的缺點是宣傳搞得太好了，成功地讓許多人以為，量子通訊具有“絕對安全性”、甚至能夠包打一切，給自己挖了一個坑，一個很深很大的坑。
上次説過，現在關於量子通訊的爭議雖然很熱鬧，但怎麼看都像雞同鴨講，讓人看了着急！現在我們看到，經典派有經典派的誤區，量子派有量子派的罩門，那麼，量子通訊爭議將來會怎麼發展，也就顯而易見了。
量子通訊爭議：將來會怎麼樣？
兵者，詭道也。故能而示之不能，用而示之不用，近而示之遠，遠而示之近。
談論未來總是危險的——因為誰也不是神漢轉世。我也只能就幾個問題談談自己的看法。
量子通訊網絡的成本
先簡單估計一下量子通訊網絡的成本。估計數量級是學物理的基本功，估計值與實際值差個三五倍很正常，但如果拿去討論工程造價，肯定是笑話了——權當娛樂好了。
量子通訊的基礎是量子不可克隆定理，而這個定理反過來又限制了光子的完美複製，所以我覺得，量子中繼器是造不出來的（再次強調，這是個人觀點，我也不認可基於“量子芝諾效應”之類的量子中繼器），這就限制了量子通訊單次傳輸的最大距離：基於光纖的量子通訊大約是100千米，基於衞星的量子通訊大約是1000千米。
我國的陸地面積是1000萬平方千米，那麼覆蓋全境的光纖網絡需要1000個基站，總計長度20萬千米的光纖，假設一個基站造價100萬人民幣，一千米光纖1萬，大概要30億。考慮到現在的光纜裏面都是幾百根也許更多的光纖，一次還可以鋪設不止一條光纜，而量子通訊只不過用一根光纖，以後還有同時使用幾個不同波長的可能性，所以鋪設光纖網絡的真實成本可能還要低。建造基站的價格也許會高一些，還沒有考慮安保的要求（畢竟是“可信中繼”嘛）。好了，30億，數量級是不會錯的，但是不可能給出更精確的價格了——上下差個3倍很正常。對於這樣的網絡，相鄰兩個基站之間的量子信息傳送速率大概是100兆每秒。
基於衞星的量子網絡，估計起來就更困難了。衞星的發射成本是個謎，而相鄰地面站的距離若為1000千米的話，只需要建10個，其實每個省建個天文觀測台就可以了，而量子通訊只需要用一個天文望遠鏡而已（直徑大概是1米）。這些成本也很難估計，我猜是100億吧（包括5~10顆衞星？），應該也不會差出3倍的。因為衞星和地面的通訊是串行操作，一次只能聯繫一個基站，衞星2小時轉一圈，每個基站頂上停留大約5分鐘，現在的最大傳遞速率是40萬比特每秒（我覺得已經到極限了），那麼平均下來的傳輸速率不過是2萬比特每秒（如果説白天或者霧霾天氣還會更低）。
好了，拍出200個億（考慮了人工成本），你就可以得到兩個量子通訊網絡，一個光纖的，一個衞星的。幹不幹？我們普通人肯定沒有這個錢，但是政府只要願意，還是掏得起的：只是幾十千米高鐵的造價嘛。當然，這個量子通訊網絡只是個混合網絡，量子通訊（也就是那個量子密鑰傳輸）只是其中的一部分，需要控制的範圍縮減為1000個基站（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
接着談談量子通訊網絡的安全問題。最終的量子通訊網絡（如果真建成的話）一定是混合網絡，相鄰基站之間用量子通訊檢測偷聽者，基站內部的管理和整個網絡的協調肯定還是離不開經典方法。保密是目標，為了這個目標當然是不擇手段，絕不會區分什麼量子還是經典，哪個好用就用哪個。
檢查這個網絡的安全性，也是個龐大的系統工程，成本也是個人無法估算的——安全性的價值等於被保密信息的總價值。這種保密網絡的安全性檢查，肯定是要政府指導、各部門協調、團結一切可以團結的力量，大家齊心協力才有可能進行的，肯定不會單純為了量子派和經典派的爭論就來一次的。從這個意義上講，前一陣國盾公司提出的“打擂台”方法簡直就是搞笑了。我不能破譯你的密碼，當然不會來獻醜，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錢就絕對不止100萬。舉個例子：在二戰時期，圖靈破譯了德國的密碼系統，丘吉爾知道德國將轟炸考文垂，但是決定不做任何特殊的準備，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，就不惜犧牲一個城市——還可能犧牲更多的。
量子通訊的未來
既然最終的網絡是混合網絡，就有誰來主導的問題。從量子派的角度説，如果在可預見的未來，真的搞出來能夠破譯RSA密碼的量子計算機，雖然經典派還可以説，我只要簡單加倍密碼長度就可以了，但這肯定是量子派的巨大勝利：“看看，我跟你説過的！”這應該是最樂觀的情況了，但是量子計算機的未來很有可能是很長的30年：再過30年，我就跟你説，只要再過30年，我就可以跟你説……（編者注：關於量子計算機，建議查閲文末“相關閲讀”4和5。）
如果真的搞不出來量子計算機，就有些麻煩了。量子派和經典派的結合來自於使用者的要求，使用者偏向於哪一邊，哪一邊的力量肯定就大。如果沒有這個外部的強制要求，量子派就很難了：轉向？人家早就覺得你是雞肋了，不一定想要。主導？這個難度太大了，人家可能説你什麼都有了，最後還得我幹活？
最後再來一個設想。
量子通訊的賣點是能夠發現偷聽者，或者説保證沒有偷聽者。在光纖系統裏，除非利用量子通訊方法，這是很難做到的；但是在基於衞星的星地通訊或者星星通訊中，有個顯然的方法可以做到：不管是發射者還是接受者，都是一個大傢伙（尺寸是米的量級），這麼大的傢伙是無法隱形的——NASA能夠監視太空軌道上所有尺寸在釐米以上的物體，中國肯定也能做到，在基站附近放個1米大小的望遠鏡更是不可能逃脱監控的。張三和李四的連線上，有沒有站個王麻子？這個問題簡直就是和尚腦袋上的蝨子——明擺着的呀。
如果確實是這樣，量子派就有個顯而易見的脱身法：只要提高信號光的強度，就可以大幅度提高信息傳送速率——不搞基於單光子的量子通訊了，我們搞的是大範圍的自由空間光互聯，衞星間對準和星地對準都是已經解決了的問題，弱光發射和探測更是我們的拿手絕技。一個基於衞星的自由空間光互聯繫統就誕生了！
所以説，未來雖然不可預料，但只要準備充分，未來還是美好的。
版權説明：歡迎個人轉發，嚴禁任何形式的媒體未經授權轉載和摘編。
《返樸》，致力好科普。國際著名物理學家文小剛與生物學家顏寧聯袂擔任總編，與幾十位學者組成的編委會一起，與你共同求索。關注《返樸》（微信號：fanpu2019）參與更多討論。二次轉載或合作請聯繫[email protected]。
相關閲讀
5 量子計算，從經典-量子混合計算開始 | 諾獎得主Wilczek專欄