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量子通讯争议,都在争些什么?

量子通讯争议,都在争些什么?

本文来自微信公众号:返朴(ID:fanpu2019),作者:姬扬,中国科学院半导体研究所研究员


最近几年,我国在量子通讯领域取得了一些重要进展,但也出现了一些争议,我来简单谈一谈都是怎么回事。


量子通讯是保密通讯的一种。通讯泛指一切传递信息的活动,包括谈话、写信、打电话等。下面以打电话为例。


张三和李四说话,如果不担心别人听到,那么轻言细语也好,大声吆喝也罢,都无所谓的,怎么方便就怎么来。这就是一般的通讯。


张三和李四想说些秘密的事情,不想让其他人听见,那就要想些办法,否则被王麻子知道了,他就会来捣乱。王麻子这个人特别讨厌,千方百计地就是要偷听张三和李四的通话,而且还不能让他俩知道自己掌握了他们通话的内容,否则就不好捣乱了,而且有可能被张三和李四设个套路,把自己忽悠到沟里去。这就是保密通讯。


为了实现保密通讯,张三和李四最好的方法,当然是压根不让王麻子知道他们在说话。这是保密通讯的最高境界,如果能做到这一点,张三和李四想怎么说就怎么说,想说什么就说什么,无所谓了。


但是,王麻子已经盯上他们很久了,很难甩掉的。张三和李四想要谈论秘密的事情,不让王麻子知道他们说的内容是什么,就只有两种方法了。


一种方法是保证王麻子听不懂他们说的话,他可以听到,但是听不懂。比如说,张三和李四都是温州人,说着一口流利的温州话,那么东北长大的王麻子肯定就抓瞎了。但是,如果王麻子的小弟王八蛋也懂温州话,这个方法肯定不能使了,张三和李四就要换用他们在爪哇国学会的鸟语了。这就是经典保密通讯,用密码把信息加密,让偷听者听了也白听。至于说具体的加密方法,那就有很多种了,现在的大多数方法都是基于数论的,最著名的就是“公共密钥加密”方法。


另一种方法是保证王麻子听不到他们说的话,如果他来偷听,就立刻报警。张三和李四只要知道有人在偷听,就把刚才说的话全部作废,咱们重新来过。俗话说“隔墙有耳”,这种方法以前是做不到的,但是随着量子理论的发展,现在可以做到了,这就是量子保密通讯,一旦有人偷听,这里立刻报警。至于说具体的加密方法,也不止一种,最著名的就是基于“BB84协议”的单光子通讯。


总结一下,保密通讯有两大类,经典方法和量子方法。经典方法赌的是你听了也白听,反正你解不了密,不知道我们说的是什么,所以完全可以用大喇叭吆喝;量子方法赌的是我们有个绝对安全的沟通渠道,只要有人偷听,我们立刻就知道,然后采取措施恢复安全,而且被偷听的内容也都作废了。具体的实现方式有很多种,虽然并不是很复杂,但也不是三言两语就可以讲清楚的——这方面的科普文章很多了,我就省点力气吧。


经典方法主要依赖于数学,量子方法偏重于物理,但都是服务于共同的革命目标——我们张三和李四说些体己话,你王麻子就不要来捣乱了。最近几年,我国在量子保密通讯方面有很多进展,京沪干线啦、墨子号卫星啦,形势一片大好,但是同时也出现了一些争议,到底是为什么呢?真的是“卫星上天、红旗落地”吗?


其实争议一直存在,只是现在更加公开化了。争议大致是这样的:


经典派认为,数学方法已经足够好了,如果有必要的话,我们还可以进一步提高保密的能力。比如说,只要简单地增加密码的长度,就可以轻松地击败越来越强大的破解能力。物理方法太脆弱,我随便捣捣乱,你刚才说的话就得作废,让你食言而肥、活活噎死你。而且数学方法可以用大喇叭喊,通话双方在哪里讲话都无所谓,而物理方法依赖于绝对安全的信道,通话双方必须老老实实地呆在固定的位置。


量子派反击说,量子计算机你听说过吗?就你那个加密水平,等量子计算机研制出来了,分分钟把你扒个干净!说什么量子信道脆弱?只要你敢来偷听,我立刻就知道,马上就让你尝尝武装保卫力量的铁拳!


在我看来,这两派其实都有些空对空。


首先,量子计算机现在是“八字还没有一撇”,别人当然不会害怕你的虚言恫吓;其次,量子保密信道的绝对安全性是由量子物理学保证的,没有人怀疑其理论上的正确性,大家争论的实际上是它的工程意义。至于说科普文章里经常提到的量子力学的各种哲学解释以及由此引起的各种争论,其实都是没有必要的噱头。


量子计算机距离现实还很远,别看这几年谷歌、微软、IBM之流宣传的调门很高,但是距离真正能够破译现行密码体系的量子计算机,我只能保持谨慎乐观的态度。大概再过20年,这个领域就可以郑重地宣告:只要再过20年,这个领域就可以……


量子保密通讯的破解也仅仅是宣传出来的效果。比如说,这两天的一个新闻宣称某研究团队破解了“量子通信”,然后该团队发表声明说其结果是支持“量子通信”的,还有各种各样的新闻解读。但是你如果仔细看看他们的研究论文,就会发现偷听者王麻子具有非常强大的能力,实际上能够控制张三发送的信息(虽然他们只是在一些情况下锁定了张三的激光器),所以并没有什么实际意义。换句话说,张三有非常简单的方式可以检测到王麻子在干扰系统,可是他却没有那样做,当然就会被偷听。这个研究并不影响量子保密通讯的基础。


其实,量子保密通讯是否全面实施主要是个工程问题,甚至是个决策问题。支持者们主要是努力提高系统传输信息的效率和降低成本,这里面包括制定合适的协议、改进光源和探测器的效率、拓展光纤通讯的距离、防范实施过程中可能出现的漏洞、探索地空通讯乃至卫星间通讯的可能性,等等;反对者们主要是主要针对其脆弱的系统、巨大的成本,质疑其是否具有所声称的保密性、究竟能否替代久经考验非常成熟的公共密钥系统。既然不仅仅是科学问题,那么就不免要涉及宣传,宣传的时候当然也就多挑自己有利的讲,多挑大家想听的讲。


我对这件事情的看法是,大家争论的是量子保密通讯的工程意义,而我们普通人没有决策权,争论其实是给别人看的。深入到具体细节,普通人很难判断谁是谁非,何况这中间还有许多的利益纠葛。


这个问题的关键在于决断,也就是说需要保密的人觉得值不值。如果张三和李四讨论的只是张家长、李家短,自然没有必要设置特别高的保密标准;如果他们关心的是三体的入侵、地球的存亡,当然就要严防来自火星的王麻子偷听机密。


就事论事地说,保密通讯是一个系统工程,最终的效果取决于整个系统的最短板,而不是最长板,而且还要考虑保密和效率之间的权衡,现实情况与未来发展的冲突。此外,保密通讯有个隐含的假设,就是通讯双方的能力和资源与对抗者相差不太大,否则就没有意义了——美国总统特朗普会受到通俄的怀疑,而普通人肯定无法对抗棱镜计划。保密通讯里经常提到的“中间人攻击”就是偷听者和通话者实力相差过于悬殊的情况,并没有太多的实际意义。普通人保密的王牌在于自己的平凡身份、无密可言,只要自己注意不要上电话骗子的当就可以了,至于说CIA这样强大的力量,当然是“千钧之弩,不以鼷鼠发机;万石之钟,不为尺梃成响”。


而且,你说量子计算机不可能实现,经典保密系统牢不可催,但决策者并不一定这样认为,他也肯定没有耐心去听你严格的证明;你说绝对保密的通信渠道非常脆弱,任何简单的干扰都会导致无法有效地传递信息,但决策者也许需要的正是这样一个诱饵,把任何敢于在这个通道上撩猫逗狗的家伙就地正法——再强调一遍,量子保密通讯保证的是,只要有人偷听,我就一定会知道。


再说,具有决策权的人,需要考虑的事情也不仅仅是保密通讯这一个问题。对于已经投入和将要投入的高达几十亿甚至上百亿的资金来说,即使决策者也要慎重考虑,是投入到量子保密通讯的发展呢,还是用来加强经典保密通讯的研究呢?也许更应该建立超级粒子加速器以便早日超欧赶美,或者修一条海底隧道直通海南岛从而促进经济发展呢?这些都是问题,非常困难的问题。


在我看来,这就是目前关于保密通讯的主要争议。我没有提到任何的技术细节,只是为了避免干扰读者对整体形势的认识。我觉得,不管是经典派还是量子派,都应该针对具体问题进行讨论,不宜避实就虚、顾左右而言他。更重要的是一定要认识到,这是个工程问题,更是个决策问题。


作者介绍:姬扬,博士,研究员、博士生导师,中国科学院“百人计划”获得者,“杰出青年基金”获得者。在中国科学院半导体研究所工作,从事半导体物理学方面的实验研究。

*文章为作者独立观点,不代表虎嗅网立场
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