量子通訊爭議的雙方是經(jīng)典派和量子派,他們對保密通訊有兩種不同的看法:經(jīng)典派采用的是數(shù)學(xué)方法,賭的是你隨便聽、反正你解不了密;量子派采用物理方法,賭的是只要你偷聽、我就能知道。最近幾年,量子派在學(xué)術(shù)界的風(fēng)頭很勁,而經(jīng)典派只能在網(wǎng)上搞些爭議。
上次我在《量子保密通訊,經(jīng)典派陷入的N個誤區(qū)》中提到,量子通訊爭議中,經(jīng)典派在戰(zhàn)略上太托大(沒有重量級的人物站臺),在戰(zhàn)術(shù)上太自大(對量子密鑰傳輸?shù)募夹g(shù)細(xì)節(jié)研究不夠透徹,與量子物理學(xué)的理論基礎(chǔ)相悖),所以在辯論中落在下風(fēng)、搞得灰頭土臉的。
那么大家就要問了:照你這么說,量子派完勝!還爭議啥?散了散了,都回家吃瓜算了。然而,事情并沒有這么簡單。
量子派的罩門在哪里?
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(yōu)點,也有缺點。在我看來,量子派一大優(yōu)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(yōu)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(xué)的爭論從哲學(xué)思辨領(lǐng)域帶入了實驗驗證領(lǐng)域,BB84協(xié)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(xiàn),其具體實現(xiàn)也是偉大的實驗進(jìn)展。然而,自從在實驗室驗證了BB84協(xié)議,之后的發(fā)展都是直截了當(dāng)?shù)模涸囉貌煌膯喂庾釉?,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(tài)替換偏振態(tài);試用不同的單光子探測器并提高其效率;改用新的通訊協(xié)議(如誘騙態(tài)協(xié)議);延長量子通訊的距離。但這些主要是工程方面的進(jìn)展,以延長通訊距離為例,如果張三和李四能夠在一個屋子里實現(xiàn)量子通訊,那么他們搬到馬路對面的兩個屋子里,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,張三和李四采用的設(shè)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(zhàn)性的工程問題,但都難以算是科學(xué)問題,不知道為什么會那么引人注目。
再看看關(guān)于量子通訊“漏洞”的討論。量子通訊領(lǐng)域討論的攻擊,都是極限狀態(tài)下的攻擊,給王麻子的權(quán)限非常高,只要不違反自然規(guī)律,都可以使用——有時甚至賦予他一些超自然的力量。例如之前說過的“探測器致盲攻擊”和“注入攻擊”,王麻子發(fā)出一束很強的光照進(jìn)張三或者李四的工作室里,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(shù)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發(fā)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后才能進(jìn)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(shù)數(shù)就會發(fā)現(xiàn)自己經(jīng)常性地丟失光子——肯定是有人搗亂了),這種通敵行徑簡直是“令人發(fā)指”。量子派唯一的底線是承認(rèn),完全的中間人攻擊是無法抵抗的,但這相當(dāng)于說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(jīng)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。
更別說那些經(jīng)常出現(xiàn)在科普文章里的量子力學(xué)(特別是量子糾纏)的神奇解釋了。這種討論進(jìn)行得熱火朝天,仿佛連玻爾和愛因斯坦都恨不得從天堂里跳下來,抱著薛定諤的那只貓來參加討論。
現(xiàn)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(fā)現(xiàn)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(tǒng)這個整體的一部分,并不能包打天下。
所以說,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(fā)現(xiàn)偷聽者。
量子通訊的短板
量子派當(dāng)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(fā)射1個且只有1個光子)目前還沒有實現(xiàn),大多是用衰減脈沖激光束的方法近似實現(xiàn),如果衰減足夠大,就可以近似地看成單光子源,如平均每束光里只有0.1個光子,也就是說,每10次發(fā)射只有1次有1個光子,其他9次都是空的,那么100次發(fā)射才會出現(xiàn)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,就讓每束光里只含有0.01個光子(發(fā)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(xié)議的要求,但是傳輸效率太低。為了提高傳輸效率,就要提高每束光里的平均光子數(shù),但是,一次發(fā)射出現(xiàn)多個光子的次數(shù)就會顯著增多,為了抵御“光子數(shù)分離”攻擊,才提出了誘騙態(tài)協(xié)議。簡而言之,BB84協(xié)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(tài)協(xié)議是,1個和3個(隨便說的一個數(shù),只要這個數(shù)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(fā)現(xiàn)的。在誘騙態(tài)協(xié)議里,每次發(fā)射的平均光子數(shù)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(jié)果的),但是已經(jīng)比0.1和0.01好得多了,而且也能夠發(fā)現(xiàn)是否有人在偷聽。
正是因為有了誘騙態(tài)協(xié)議,量子通訊的有效傳輸范圍才能夠從二三十千米拓展到上百千米。京滬干線總長度是2000多千米,有32個中繼站,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,因為糾纏光子源位于這兩個人的中間,同時向他們各自發(fā)射一個偏振關(guān)聯(lián)的光子(糾纏光子對就是這個意思)。這種方法能夠達(dá)到的距離是有上限的,主要來自于傳輸過程中的光損耗:基于光纖的量子通訊系統(tǒng),目前最遠(yuǎn)的傳輸距離是400千米,而傳碼率只有可憐的每小時1比特;基于墨子號衛(wèi)星的系統(tǒng),兩年前大約是每秒1萬比特(我在衛(wèi)星發(fā)射前的估計是每秒鐘幾千比特),現(xiàn)在據(jù)說達(dá)到了每秒40萬比特(這個可能是基于單光子通訊的星地傳輸,而不是地面兩個基站之間通過衛(wèi)星中介的信息傳輸)。
至于量子通訊只管張三和李四這一段,如果組成通訊網(wǎng)絡(luò)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,而且并不覺得這真的是個問題——只要采用經(jīng)典派現(xiàn)成的技術(shù)就可以了。量子通訊并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(tǒng)的總體目標(biāo),當(dāng)然是可以無所不用其極——你憑什么限制我?
但是話說回來,量子派在成功宣傳的同時,也留下了一些后患——他們的宣傳太成功了,讓很多人(包括出來反對量子派的經(jīng)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(jié)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?
說到這里,不免想戲謔一下經(jīng)典派和量子派。上次我們提到:因為出來唱反調(diào)的經(jīng)典派犯了一些非常簡單的錯誤,還試圖推翻量子力學(xué)的基礎(chǔ),簡直不忍直視,看上去就跟量子派的“托兒”似的——好像就是為了制造有爭議的假象,讓人們的注意力集中在量子派的優(yōu)勢方面。不過“經(jīng)典派”可能也棋高一著呢,他們一直沒有大人物出來站臺,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(jīng)典方法和經(jīng)典網(wǎng)絡(luò)。
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,并不一定能抱得美人歸。就算你歌唱得再好、海豚音飚得再高,也只能贏得吃瓜群眾的喝彩,而真正的白馬王子可能早就登門入室、與公主共進(jìn)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(jīng)典派才是真正入洞房的!
簡而言之,量子派既有優(yōu)點,也有缺點。量子派最大的優(yōu)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(fā)現(xiàn)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。
上次說過,現(xiàn)在關(guān)于量子通訊的爭議雖然很熱鬧,但怎么看都像雞同鴨講,讓人看了著急!現(xiàn)在我們看到,經(jīng)典派有經(jīng)典派的誤區(qū),量子派有量子派的罩門,那么,量子通訊爭議將來會怎么發(fā)展,也就顯而易見了。
量子通訊爭議:將來會怎么樣?
兵者,詭道也。故能而示之不能,用而示之不用,近而示之遠(yuǎn),遠(yuǎn)而示之近。
談?wù)撐磥砜偸俏kU的——因為誰也不是神漢轉(zhuǎn)世。我也只能就幾個問題談?wù)勛约旱目捶ā?/p>
量子通訊網(wǎng)絡(luò)的成本
先簡單估計一下量子通訊網(wǎng)絡(luò)的成本。估計數(shù)量級是學(xué)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(quán)當(dāng)娛樂好了。
量子通訊的基礎(chǔ)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復(fù)制,所以我覺得,量子中繼器是造不出來的(再次強調(diào),這是個人觀點,我也不認(rèn)可基于“量子芝諾效應(yīng)”之類的量子中繼器),這就限制了量子通訊單次傳輸?shù)淖畲缶嚯x:基于光纖的量子通訊大約是100千米,基于衛(wèi)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,那么覆蓋全境的光纖網(wǎng)絡(luò)需要1000個基站,總計長度20萬千米的光纖,假設(shè)一個基站造價100萬人民幣,一千米光纖1萬,大概要30億??紤]到現(xiàn)在的光纜里面都是幾百根也許更多的光纖,一次還可以鋪設(shè)不止一條光纜,而量子通訊只不過用一根光纖,以后還有同時使用幾個不同波長的可能性,所以鋪設(shè)光纖網(wǎng)絡(luò)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(shù)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。對于這樣的網(wǎng)絡(luò),相鄰兩個基站之間的量子信息傳送速率大概是100兆每秒。
基于衛(wèi)星的量子網(wǎng)絡(luò),估計起來就更困難了。衛(wèi)星的發(fā)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臺就可以了,而量子通訊只需要用一個天文望遠(yuǎn)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顆衛(wèi)星?),應(yīng)該也不會差出3倍的。因為衛(wèi)星和地面的通訊是串行操作,一次只能聯(lián)系一個基站,衛(wèi)星2小時轉(zhuǎn)一圈,每個基站頂上停留大約5分鐘,現(xiàn)在的最大傳遞速率是40萬比特每秒(我覺得已經(jīng)到極限了),那么平均下來的傳輸速率不過是2萬比特每秒(如果說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(wǎng)絡(luò),一個光纖的,一個衛(wèi)星的。干不干?我們普通人肯定沒有這個錢,但是政府只要愿意,還是掏得起的:只是幾十千米高鐵的造價嘛。當(dāng)然,這個量子通訊網(wǎng)絡(luò)只是個混合網(wǎng)絡(luò),量子通訊(也就是那個量子密鑰傳輸)只是其中的一部分,需要控制的范圍縮減為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
接著談?wù)劻孔油ㄓ嵕W(wǎng)絡(luò)的安全問題。最終的量子通訊網(wǎng)絡(luò)(如果真建成的話)一定是混合網(wǎng)絡(luò),相鄰基站之間用量子通訊檢測偷聽者,基站內(nèi)部的管理和整個網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)肯定還是離不開經(jīng)典方法。保密是目標(biāo),為了這個目標(biāo)當(dāng)然是不擇手段,絕不會區(qū)分什么量子還是經(jīng)典,哪個好用就用哪個。
檢查這個網(wǎng)絡(luò)的安全性,也是個龐大的系統(tǒng)工程,成本也是個人無法估算的——安全性的價值等于被保密信息的總價值。這種保密網(wǎng)絡(luò)的安全性檢查,肯定是要政府指導(dǎo)、各部門協(xié)調(diào)、團(tuán)結(jié)一切可以團(tuán)結(jié)的力量,大家齊心協(xié)力才有可能進(jìn)行的,肯定不會單純?yōu)榱肆孔优珊徒?jīng)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“打擂臺”方法簡直就是搞笑了。我不能破譯你的密碼,當(dāng)然不會來獻(xiàn)丑,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(zhàn)時期,圖靈破譯了德國的密碼系統(tǒng),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(zhǔn)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(wǎng)絡(luò)是混合網(wǎng)絡(luò),就有誰來主導(dǎo)的問題。從量子派的角度說,如果在可預(yù)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(jīng)典派還可以說,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,我跟你說過的!”這應(yīng)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,我就跟你說,只要再過30年,我就可以跟你說……(編者注:關(guān)于量子計算機,建議查閱文末“相關(guān)閱讀”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(jīng)典派的結(jié)合來自于使用者的要求,使用者偏向于哪一邊,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(zhuǎn)向?人家早就覺得你是雞肋了,不一定想要。主導(dǎo)?這個難度太大了,人家可能說你什么都有了,最后還得我干活?
最后再來一個設(shè)想。
量子通訊的賣點是能夠發(fā)現(xiàn)偷聽者,或者說保證沒有偷聽者。在光纖系統(tǒng)里,除非利用量子通訊方法,這是很難做到的;但是在基于衛(wèi)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(fā)射者還是接受者,都是一個大家伙(尺寸是米的量級),這么大的家伙是無法隱形的——NASA能夠監(jiān)視太空軌道上所有尺寸在厘米以上的物體,中國肯定也能做到,在基站附近放個1米大小的望遠(yuǎn)鏡更是不可能逃脫監(jiān)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虱子——明擺著的呀。
如果確實是這樣,量子派就有個顯而易見的脫身法:只要提高信號光的強度,就可以大幅度提高信息傳送速率——不搞基于單光子的量子通訊了,我們搞的是大范圍的自由空間光互聯(lián),衛(wèi)星間對準(zhǔn)和星地對準(zhǔn)都是已經(jīng)解決了的問題,弱光發(fā)射和探測更是我們的拿手絕技。一個基于衛(wèi)星的自由空間光互聯(lián)系統(tǒng)就誕生了!
所以說,未來雖然不可預(yù)料,但只要準(zhǔn)備充分,未來還是美好的。