引子

如果你對(duì)量子通信非常了解，可以忽略本文？如果對(duì)該領(lǐng)域不了解，那么可以通過(guò)本文了解量子通信的一些基本知識(shí)。筆者也在網(wǎng)上看了很多文章，發(fā)現(xiàn)如果是新手根本無(wú)從下手去理解量子通信，因?yàn)榇蟛咳瞬⒉皇菍I(yè)領(lǐng)域的人。所以筆者從一個(gè)學(xué)習(xí)者的角度，去梳理和解釋量子通信。同時(shí)本文盡量減少采用專業(yè)術(shù)語(yǔ)，使用通俗的語(yǔ)言和例子帶大家了解量子通信！文章幾乎沒(méi)有復(fù)制粘貼，90％以上的文字都是基于自己的理解進(jìn)行碼字，難免有不嚴(yán)謹(jǐn)之處，但不影響新手閱讀。

討論范圍

最近一直炒得很熱的就是量子通信，可以參考下圖，量子通信就是量子力學(xué)和信息科學(xué)結(jié)合帶來(lái)的產(chǎn)物。本文我們只討論量子通信，且重點(diǎn)是量子密碼。

量子定義

何為量子？量子是攜帶能量的最小單位。就像光就是由無(wú)數(shù)光量子組成的，比如一速陽(yáng)光從太陽(yáng)到達(dá)了地球，傳遞了多少能量呢，我們就可以數(shù)數(shù)到底有多少光量子到達(dá)了地球。光量子不能再分了，已經(jīng)是最小的攜帶能量的單位了。

為了簡(jiǎn)化理解，我們把量子比作一個(gè)有狀態(tài)的小球，有什么狀態(tài)我們待會(huì)再說(shuō)。

拋出觀點(diǎn)

1、 常規(guī)數(shù)據(jù)通信，包括光纖通信，信息有被竊取的風(fēng)險(xiǎn)。

2、 通過(guò)秘鑰對(duì)信息進(jìn)行加密和解密的方案，目前雖然是主流。但并不是絕對(duì)安全。

3、 靠量子糾纏不能進(jìn)行常規(guī)安全數(shù)據(jù)通信，至少當(dāng)前技術(shù)上無(wú)法實(shí)現(xiàn)

4、 量子秘鑰分發(fā)技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)絕對(duì)的數(shù)據(jù)安全

5、 量子秘鑰分發(fā)，理論上可以借用量子糾纏，也可以不用。實(shí)際應(yīng)用中不會(huì)用到，量子糾纏。

6、 量子通信的最大安全距離不斷提升

觀點(diǎn)證明

一、普通光纖通信的安全問(wèn)題

光纖通信是目前常規(guī)的通信方式，幾乎所有的通信都要走光纖。但光纖通信中的所有數(shù)據(jù)，都可以很容易的被竊聽(tīng)者獲取。獲取到辦法也很簡(jiǎn)單。

方法一：通過(guò)分離光束法，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是把光纖切斷，中間接個(gè)竊聽(tīng)設(shè)備。設(shè)備只捕獲部分光，其余大部分光都放通，通過(guò)這種手段竊取信息。

方法二：彎曲耦合光纖的方法。光在光纖中基于全反射的原理，光不會(huì)泄露。但只要光纖彎曲炒股一定弧度，那么就會(huì)有部分光射出來(lái)了，光信號(hào)就泄露了。

二、普通秘鑰的安全性問(wèn)題

既然，光纖通信中，數(shù)據(jù)不可能避免被竊取的風(fēng)險(xiǎn)，那么可以引入秘鑰對(duì)數(shù)據(jù)加密。即使數(shù)據(jù)丟了，也是密文。比如舉個(gè)例子，發(fā)送方發(fā)了要發(fā)送，“it is a pig”，他采用了字母向前移動(dòng)1位的方法，并且將發(fā)放告訴了接受方，所以“it is a pig”在發(fā)送時(shí)，被加密成了 “ju jt a qjh”。解密方使用將字母向后移動(dòng)一位的方法，將加密信息還原。

如上表，但是這種方案有諸多問(wèn)題。 第一，容易被猜到，在密文中反復(fù)出現(xiàn)的字母，很容易被猜出來(lái)，進(jìn)而破解算法和秘鑰。比如 ju jt b qjh中的j出現(xiàn)較多，很容易被裁成i。

第二，秘鑰如何傳遞，秘鑰的傳遞也是通過(guò)傳統(tǒng)信道，同樣容易被盜。

信息論的創(chuàng)始人香農(nóng)（Claude E ． Shannon）證明了一個(gè)數(shù)學(xué)定理：密鑰如果滿足三個(gè)條件，那么通信就是“絕對(duì)安全”的。

1）密鑰是一串隨機(jī)的字符串；2）密鑰的長(zhǎng)度跟明文一樣，甚至更長(zhǎng)；3）每傳送一次密文就更換密鑰，即“一次一密”。

如下圖，為了傳遞 it is a pig 這8個(gè)字母，我的秘鑰也是8位的。下次傳輸其他數(shù)據(jù)時(shí)，還要更換秘鑰。

香農(nóng)的定理聽(tīng)起來(lái)好像已經(jīng)解決了保密通信的問(wèn)題，但其實(shí)沒(méi)有。真正的難題在于，怎么把密鑰從一方傳給另一方？

業(yè)界還有里那個(gè)外一種秘鑰加密方案，叫RSA非對(duì)稱加密。這種秘鑰方案可以不用傳遞秘鑰，也就排除了秘鑰在傳遞過(guò)程中的風(fēng)險(xiǎn)。主要的思想是，接受者傳遞公鑰，自己保留私鑰，公鑰用于加密，但是公鑰無(wú)法解密。也就是公鑰雖然傳輸，但是竊密者拿到公鑰沒(méi)辦法解密。其實(shí)RSA這種非對(duì)稱加密，并不是沒(méi)辦法解密，只是基于當(dāng)前的計(jì)算機(jī)算力無(wú)法在短時(shí)間破解。有興趣的可以去網(wǎng)上了解下，破解的過(guò)程主要難點(diǎn)在于如何是將一個(gè)超大的數(shù)拆成2個(gè)素?cái)?shù)的積。

但是RSA還是有被破解的可能，尤其是已經(jīng)通過(guò)實(shí)驗(yàn)在量子計(jì)算領(lǐng)域?qū)⑵平釸SA算法的算力有了指數(shù)級(jí)的降低。

到這里，我們知道了，我們目前使用的秘鑰方案，都不是絕對(duì)安全的。

三、靠量子糾纏進(jìn)行安全通信的不靠譜性

我們?cè)诳纯椿诋?dāng)前技術(shù)，有沒(méi)有一種不靠秘鑰，靠構(gòu)建一條安全通道，或者說(shuō)隱秘通道讓信息安全傳輸呢？

有人之前聽(tīng)過(guò)量子的一些基本概念，說(shuō)可以靠量子糾纏來(lái)實(shí)現(xiàn)。這是最常見(jiàn)的對(duì)量子通信的誤解。

量子糾纏，有人說(shuō)是兩個(gè)量子鬼魅般的超距作用，量子A伸左手，量子B就伸右手，并且是同時(shí)發(fā)生，不存在傳遞的時(shí)間。由于中間沒(méi)有傳輸時(shí)間和傳輸介質(zhì)，有理想的人就提出了，這樣就可以實(shí)現(xiàn)超光速且不可被竊聽(tīng)的安全通信了。對(duì)、這只是幻想，他違背了愛(ài)伊斯坦的相對(duì)論，信息傳遞不可能超光速。

在這里我們還要拋出幾個(gè)觀點(diǎn)來(lái)佐證為什么量子糾纏不能傳遞發(fā)送者的有效信息

1） 通過(guò)量子糾纏（隱態(tài)傳輸），連發(fā)送方都不知道自己傳遞了什么信息。

2） 量子糾纏只能在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，距離應(yīng)用還要很遠(yuǎn)的路要走

3）靠單量子取代現(xiàn)有通信方式，目前也很難進(jìn)入應(yīng)用領(lǐng)域

為什么量子糾纏（隱態(tài)傳輸），連發(fā)送方都不知道傳遞了什么信息？

啥叫糾纏，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，就是兩個(gè)量子如果處于糾纏態(tài)，那么他們的狀態(tài)完全相反，不管離多遠(yuǎn)。但是糾纏態(tài)還是可以被打破，只要有設(shè)備對(duì)其中一個(gè)量子造成了影響，比如測(cè)量操作。但是如果不測(cè)量，發(fā)送方自己都不知道這個(gè)量子處于什么狀態(tài)。這樣如何傳遞預(yù)設(shè)的信息？

量子糾纏只能在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，距離應(yīng)用還要很遠(yuǎn)的路要走

由于工程技術(shù)現(xiàn)在還達(dá)不到應(yīng)用級(jí)別的量子糾纏分發(fā)能力，所以距離應(yīng)用還比較遙遠(yuǎn)。

靠單量子取代現(xiàn)有通信方式，目前也很難進(jìn)入應(yīng)用領(lǐng)域

不用量子糾纏，使用常規(guī)量子通信目前也很難應(yīng)用，問(wèn)題主要是通信距離太短，生成量子的成碼率太低。

四、量子秘鑰分發(fā)技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)絕對(duì)的數(shù)據(jù)安全

繼續(xù)拋出幾個(gè)觀點(diǎn)

1） 量子秘鑰分發(fā)基于“單個(gè)量子”和“量子不可測(cè)量”兩個(gè)條件保障安全

2） 量子秘鑰分發(fā)，不使用量子糾纏

量子秘鑰分發(fā)基于“單個(gè)量子”和“量子不可測(cè)量”兩個(gè)條件保障安全

為了便于大家理解，我們舉例說(shuō)明

如上圖，假設(shè)量子是發(fā)送者從高空自由落體的一個(gè)球，這個(gè)球的狀態(tài)信息就是下落時(shí)處于圓盤(pán)的角度。下邊放了一些同心圓盤(pán)。圓盤(pán)在0°、45°、90°和135°的扇面打了孔。如果球的下落角度正對(duì)著孔，那么通過(guò)圓盤(pán)時(shí)，圓盤(pán)的主人就會(huì)知道球是從哪個(gè)孔下落的。

由于小球在接觸圓盤(pán)A之前，我們無(wú)法得知其運(yùn)動(dòng)的線路。當(dāng)小球接觸到圓盤(pán)A時(shí)，會(huì)隨機(jī)選擇一個(gè)孔穿過(guò)A，之后小球會(huì)一直沿著該直線下落。比如從A的90°口穿過(guò)后，會(huì)一直穿過(guò)B的90°口，狀態(tài)不會(huì)改變。

球落到C盤(pán)以后，如果C盤(pán)沒(méi)有90°和0°，那么球就會(huì)隨機(jī)（50％概率）的從45°或者135°孔穿過(guò)C盤(pán)下落。

以上在中間設(shè)置圓盤(pán)的動(dòng)作，就是測(cè)量。只有測(cè)量了，才知道球的運(yùn)動(dòng)角度。但是我們不知道球在接觸A盤(pán)之前是什么角度下來(lái)的，可能是360°任何一個(gè)角度（延伸一下：每個(gè)角度都可以作為一個(gè)量子比特，所以量子比特很大）。通過(guò)圓盤(pán)時(shí)，我們只有幾個(gè)孔，讓球從其中一個(gè)孔掉落，這就破壞了原來(lái)的狀態(tài)。這也叫做量子的不可測(cè)量，雖然你測(cè)量了，但是你測(cè)量的并不精確。

我們?nèi)绾瓮ㄟ^(guò)量子的不可測(cè)量來(lái)分發(fā)秘鑰？我們接著舉例，同時(shí)也接近事實(shí)

如上圖，

1、定義兩種圓盤(pán)，即A型0°和90°， B型（45°和135°），

2、定義量子比特，0°和45°代表比特位0， 90°和135°代表比特位1

即每一組圓盤(pán)中都有兩個(gè)孔，如果通過(guò)了量子，都能代表0或者1．

通信過(guò)程舉例：發(fā)送4個(gè)量子

1、發(fā)送者隨機(jī)使用 ABBB 圓盤(pán)讓量子通過(guò)（ABBB是隨機(jī)選擇的）

發(fā)現(xiàn)量子的方向?yàn)?0°、45°、135°、45°，即1010

2、接受者隨機(jī)使用 BABB（隨機(jī)選擇） 圓盤(pán)讓量子通過(guò)即x？°、x？°、135°、45°。由于前兩個(gè)圓盤(pán)A和B用的不一致，造成量子狀態(tài)改變，所以A和B約定圓盤(pán)不一致的測(cè)量作廢。那怎么知道他們用的圓盤(pán)是否一致，接受者直接使用傳統(tǒng)的通信方式（非加密）告訴發(fā)送者即可。不用擔(dān)心泄密，因?yàn)槊總€(gè)圓盤(pán)都有兩個(gè)孔，并沒(méi)有讓竊聽(tīng)者知道從哪個(gè)孔下去的，代表0還是1．

3、這樣我們知道發(fā)送者ABBB，接受者使用BABB，只有后兩個(gè)圓盤(pán)一致，只取后兩個(gè)數(shù)，后兩個(gè)數(shù)發(fā)送者和接受者都知道是10，秘鑰發(fā)送完畢。

這時(shí)候，你會(huì)說(shuō)，有人竊聽(tīng)秘鑰怎么辦？

參考上圖，看看我們是如何抓賊的。

由于發(fā)送者和接受者，只選擇相同的圓盤(pán)通過(guò)的球角度作為有效傳輸?shù)男畔ⅰＤ敲次覀兙鸵肋@些有效的比特是否被竊聽(tīng)者觀測(cè)過(guò)，即中間是否有竊聽(tīng)者的圓盤(pán)。

想一下，用概率計(jì)算就是：竊聽(tīng)者有1／2概率用錯(cuò)圓盤(pán)，只要竊聽(tīng)者用錯(cuò)了圓盤(pán)，量子就會(huì)改變角度，如上圖，從90°變成45°或者135°。量子就有1／2的概率從不同于發(fā)送者的孔通過(guò)。那么發(fā)送者和接受者收到的信息就不一致。這個(gè)不一致也叫做誤碼。如果竊聽(tīng)者使用了圓盤(pán)竊聽(tīng)，那么不一致的概率是1／2 × 1／2 ＝ 1／4。我們必須要保障誤碼率為0。

所以為了知道有沒(méi)有竊聽(tīng)，發(fā)送者和接受者決定公布一小段信息，讓收發(fā)雙方核對(duì)。這是第二次公布信息，如果公布的信息雙方有不一致的位，那么就有人竊聽(tīng)，就會(huì)終止加密傳輸。你會(huì)問(wèn)，公布了一段信息，那不就不安全了嗎？沒(méi)關(guān)系，比如我們想傳遞一個(gè)128位的秘鑰，我們傳遞160位，然后公布32位用于判斷是否有竊聽(tīng)即可。

這一套抓賊方案，也叫做BB84協(xié)議，是不是非常巧妙。

既然可以通過(guò)這么巧妙的協(xié)議就可以打造絕對(duì)安全的秘鑰通信，那么為什么量子秘鑰只有近幾年才火起來(lái)，并且只有中國(guó)做的比較好呢？

剛才提到只有滿足單光量子以及不可測(cè)量?jī)蓚€(gè)條件才能保障安全。但在應(yīng)用場(chǎng)景中，科學(xué)家們也很難高效的制造出單光量子。并且在長(zhǎng)距離傳輸過(guò)程，還會(huì)有損耗。光量子在光纖中超過(guò)20公里可能就損耗掉了。所以目前只能以光脈沖的形式隨機(jī)發(fā)送，有時(shí)候是單光量子，有時(shí)候是多個(gè)光量子。這就又給竊聽(tīng)者帶來(lái)了機(jī)會(huì)。竊聽(tīng)者可以在遇到單光子時(shí)攔截下來(lái)不讓通過(guò)，在遇到多個(gè)光子時(shí)拿走一個(gè)，讓其余的光子通過(guò)。通信雙方難以分辨光子的減少是來(lái)自竊聽(tīng)還是來(lái)自信道的自然損耗。

2003－2005年，韓國(guó)科學(xué)家黃元瑛（Hwang W． Y．）和中國(guó)科學(xué)家王向斌、羅開(kāi)廣等人想出了一種巧妙的辦法，就是“誘騙態(tài)協(xié)議”。這個(gè)協(xié)議比較難講明白，大致意思就是，有些單光子和多光子是我要傳遞的信息，有些是誘騙的信息。兩種光子損耗率不同，竊聽(tīng)者無(wú)法區(qū)別對(duì)待，那么收發(fā)雙方就很容易得知，損失的光子是自然損耗還是有人竊取。這個(gè)地方也可以上網(wǎng)去查誘騙太協(xié)議，如果你不是絕對(duì)發(fā)燒友，就別去查了。你只需要了解現(xiàn)實(shí)中的量子秘鑰分發(fā)，還不是絕對(duì)的單量子。

量子信息借助量子力學(xué)和信息學(xué)的種種突破，在理論上已經(jīng)比較成熟。但需要通過(guò)實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐進(jìn)行推動(dòng)，我國(guó)在應(yīng)用領(lǐng)域目前已經(jīng)走在世界前列。

五、量子秘鑰分發(fā)，理論上可以借用量子糾纏，也可以不用。實(shí)際應(yīng)用中不會(huì)用到量子糾纏。

這個(gè)很容易理解，我們知道了不用量子糾纏就可以實(shí)現(xiàn)秘鑰的安全分發(fā)，干嘛要用量子糾纏？并且制造量子糾纏態(tài)的成本很高，并且很難高效，批量的生成。

六、量子通信的最大安全距離不斷提升

我們提到過(guò)，光子在光纖中損耗很大，基本20千米就是極限。每加長(zhǎng)15千米，損耗就會(huì)加倍。依賴單光量子通信，很難實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離秘鑰分發(fā)。

我們前邊還提到過(guò)，可以基于誘騙太協(xié)議，實(shí)現(xiàn)單光子和多光子組合的方式傳輸，這使得遠(yuǎn)距離傳輸成為可能。2016年8月16日，墨子號(hào)量子衛(wèi)星上天時(shí)，光纖中的安全傳輸距離已經(jīng)超過(guò)了200公里。2016年11月，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)、清華大學(xué)、中科院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所、濟(jì)南量子技術(shù)研究院等單位合作，又把安全傳輸距離提高到了404公里，而且在102公里處的安全成碼率已經(jīng)足以保證安全的語(yǔ)音通話。也就是說(shuō)，間隔102公里的量子保密電話已經(jīng)是在技術(shù)上可行的了。

傳統(tǒng)的光纖傳輸是通過(guò)中繼的，在量子秘鑰分發(fā)的方案中同樣可以使用中繼。

假設(shè)我們有一串節(jié)點(diǎn)，記作1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)……，最后是n號(hào)。先在1號(hào)和2號(hào)之間建立量子通信，產(chǎn)生一個(gè)密鑰，記作k1。然后在2號(hào)和3號(hào)之間建立量子通信，產(chǎn)生一個(gè)密鑰，記作k2。2號(hào)把k1作為待傳輸?shù)拿魑?，用k2對(duì)它加密，傳輸給3號(hào)。3號(hào)同樣把k1傳輸給4號(hào)，4號(hào)把k1傳輸給5號(hào)，……一路把k1傳輸給n號(hào)。最后1號(hào)把真正要傳輸?shù)男畔⒂胟1加密，用任意的通信方式傳給n號(hào)，就完成了。

京滬干線做的事情，就是在北京、濟(jì)南、合肥、上海的內(nèi)部量子網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，通過(guò)32個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)（包括兩端）把它們連接起來(lái)。這樣，就可以在2000公里的范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)量子保密通信

還有一種中繼方式就是通過(guò)衛(wèi)星。通過(guò)衛(wèi)星理論上是可以覆蓋全球的，并且光在空中的損耗比光纖中小的多。但是長(zhǎng)距離讓光從地面對(duì)準(zhǔn)衛(wèi)星發(fā)射確實(shí)很難，首先距離遠(yuǎn)，其次光信號(hào)很微弱，你不能用強(qiáng)光，用強(qiáng)光意味著就是激光通信，就不是量子通信了。這個(gè)瞄準(zhǔn)工作，被中國(guó)的科學(xué)家們完成了，對(duì)，就是用墨子號(hào)量子科學(xué)衛(wèi)星做的。

延伸閱讀 關(guān)于量子不可精確觀測(cè)

量子加密通信主要是源于量子的不可精確測(cè)量和不可克隆。也就是說(shuō)當(dāng)你看到了量子的狀態(tài)，量子由于你的觀測(cè)就會(huì)改變?cè)瓉?lái)的狀態(tài)。要觀察量子，你就需要感知它，我們不能通過(guò)眼睛觀察，因?yàn)榱孔右呀?jīng)是能量的最小單位了，他不可能想宏觀物體一樣發(fā)光，發(fā)熱讓我們感知。我們要感知它，同樣要使用光線（也是一堆光量子）對(duì)單個(gè)光量子進(jìn)行相關(guān)影響的測(cè)量，但測(cè)量結(jié)果是無(wú)法精確的，并且會(huì)改變單個(gè)光量子的狀態(tài)。

舉個(gè)例子，大家肯定聽(tīng)過(guò)薛定諤的貓，就好比箱子里有個(gè)貓，貓是死是活沒(méi)有“人”知道，如果打開(kāi)箱子，箱子就會(huì)進(jìn)入毒氣將貓毒死。如果不打開(kāi)，“人”永遠(yuǎn)不知道貓是死是活。

其實(shí)不可測(cè)量在經(jīng)典物理中同樣適用，只不過(guò)微乎其微罷了。比如黑暗中有個(gè)物體，你要測(cè)量它的質(zhì)量或者運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，我們就需要光或者紅外裝置，甚至雷達(dá)波之類的照射物體。但是只要照射物體就會(huì)有光子對(duì)物體產(chǎn)生了影響，會(huì)發(fā)生微乎其微的質(zhì)量、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的變化。我們想一下，如果物體能量小到不能再小的時(shí)候，任何其他能量對(duì)其測(cè)量都會(huì)造成非常大的影響。這就是量子的不可精確觀測(cè)。

接下來(lái)的內(nèi)容，比較發(fā)散，也沒(méi)有絕對(duì)的對(duì)錯(cuò)，有選擇性的看吧。

人類認(rèn)識(shí)的世界，永遠(yuǎn)都是建立在人們獲取到的信息的基礎(chǔ)上，人類無(wú)法感知的信息不是人類世界。有人認(rèn)為薛定諤貓是死是活在非人類世界已經(jīng)是事實(shí)，只是人類世界不知道，有這種觀點(diǎn)的人是決定論支持者，也就是未來(lái)會(huì)發(fā)生什么都是已經(jīng)注定了，就想你現(xiàn)在正在看這篇文章，正在質(zhì)疑這種觀點(diǎn)一樣。還有人認(rèn)為貓是死是活必須在人類世界決定，貓是死是活是一個(gè)概率事件，在被人類觀測(cè)到之前，這只貓是一個(gè)死和活之間的中間態(tài)，這部分人認(rèn)為世界是隨機(jī)的。

啟迪云  王立波