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量子通信争议,经典派到底争了些啥?

量子通信争议,经典派到底争了些啥?

本文来自:返朴(ID:fanpu2019),作者:徐晓(华南理工大学物理与光电学院)    

                   

张三和李四讲个体己话,王麻子要偷听。搞量子通信的量子派就对张三、李四说:“放心,王麻子偷听不了,我有量子通信保密咧!王麻子一偷听,你们就晓得了。”以前就搞通信的经典派就瘪瘪嘴,说:“这问题俺们早就解决了,让王麻子偷听也听不清,而且俺们的方法还便宜。”说着说着,两派就争起来了。


量子通讯争议,都在争些什么?》一文,给我们讲了上面的故事,让我们吃瓜群众知道了两派争吵的原因:他们并没有就量子通信的科学原理的正确性进行争论,而是就其工程实用意义和成本问题进行争论。这个总结,是符合行内的争论事实的。


但是,说到争论本身,我觉得文章没有交待清楚。


文章中说,经典派攻击量子派是“通信双方老老实实待在固定位置”“物理系统脆弱”,似乎把问题都说了。但是这话到底啥意思呢?老老实实待在固定位置有啥不好呢?物理系统怎么就脆弱了呢?通信系统不都是物理系统吗?听起来好像经典派有点吹毛求疵。


所以我就从通信技术发展的基本情形出发,来“八卦”一下经典派的质疑是什么。


1. 量子通信通什么?


要理解两派的争论,先得明白量子通信到底做什么事。


量子通信虽然叫“通信”,但并不是我们所理解的双方拿起电话说声“你好”的意思,而是双方为了进行保密通信而做的准备活动。


什么活动?密钥的产生和分发。


密钥是用来加密通信信号的一串密码。有了这个密码,我们就可以用一个程序,结合密码,把发送的通信内容加密,或把接收的内容解密。因此,这个密码就像是把箱子的钥匙,就叫密钥。


好的密钥,应该是别人想半天、搞半天也仿不出来的。而且,就是好的密钥,过段时间,也得赶快换掉,以免时间太长被人琢磨出来或者偷了。


密钥生成后,还得赶快送到使用者手里,免得中途有王麻子来偷。


量子派夸耀的是他的生成和分发技术:密钥高级难仿;生成和分发是在量子信息通道里立刻完成,所以密钥想什么时候换,就什么时候换;而如果王麻子要在量子信息通道里去偷听,立刻就会被识破。


2. 经典派的质疑


经典派针对量子派的夸耀,进行了两点反驳:一个是分发方式太贵,没法商用;一个是王麻子根本就不偷听,直接让你传不成信息就好了。


那么经典派如何质疑的?我们来详细分解一下。


3. 网络


两个人之间要通话,一根电话线就够了;三个人彼此间要通话,如果还是采用两个人之间拉线的方式,就要3根线。N个人呢?那要N(N-1)/2根线。因此,100个人,要4950根;1000个人,就是499500根......这样拉线,不是个办法。就算再有钱,也不是这么花。


现代通信的办法,是建个通信网。每个人都把自己的电话线接进网。而网里有一些电话线,可以临时接给要通信的双方。通信完,双方都断掉跟这个网里的电话线的连接。网里这些线就可以给别人用了。比如,我们为100个人建一个通信网,有50根电话线在网里,那么同时所有的人都可以捉对厮杀——不,是“说体己话”了。加上每个人连入通信网所需的那1根线,我们总共只不过用了150根线就齐活了。成本大幅度降低。


现代通信技术的发展,就是利用网络化的方式,尽量共用信道,所以通信越来越便宜。——要不是通信便宜,你会时不时在微信群里聊个天,消磨时光么?


当然,通信网络的存在,也有一个缺点,就是你得在通信时接入网络、通信结束断开网络。以前,这个接线的工作,都是人工做的,现在已经自动化了。但是,自动化了,也省不了通信信号在不同通信通道间转换的过程。


说这个跟量子通信有什么关系呢?


量子通信有个原理上的缺点:要实现量子通信,要求进行通信的双方,必须有一个直接的物理通道来当量子通信通道,以便进行秘钥的产生和分发。


从这一点出发,我们立刻看出了这个技术与现在通信技术的矛盾之处:现代通信的趋势是网络化,而这个技术实际上是要求通讯者两两之间要有物理通道,不能有中间的转换连接。这是与网络化背道而驰的,自然也就意味着成本高昂。


当然,由于技术的发展,做量子通信的也在发展量子中继,用来做通道转换。但是,我们必须明白,就切近的未来而言,这显然是探索中的技术,不构成回应“经典派”的理由。


4. 真实性(authentication)


网络化真是令人伤脑筋!


因此,量子派有新说法。


有很多量子派的人会告诉你,保密有专门的通道,保密通信,尤其是秘钥的生成,跟网络化的关系不大。


真是这样吗?


如果你饿了,你可以通过手机从银行卡里取一笔钱,然后通过微信付款给肯德基,买个“老北京鸡肉卷”套餐。在这个过程中,你固然关心你的钱只有你能取;而对银行而言,则需要关心取款的是你本人,而不是王麻子。


保证你是你,就是信息的真实性(authentication)


银行如何保证你是你呢?起码的一点,他得保证你从手机输入后送到银行的信息,是被加密后传送的。否则,这个信息一旦被偷听,你的银行密码就泄露了。那时候,如果王麻子用你的密码冒充你,银行也没有办法。


而这样的保密通信要进行,又不能被人通过网络监听和强力运算而攻破的话,就需要在网络上进行大规模的秘钥实时产生和分发。这样的过程,是通信网络中最频繁的保密通信。


显然,一个保密通信技术,如果不能对这个真实性的需求做出回应,那么其经济适用性就大打折扣了。


这以上两点,就是经典派说量子派“通信双方老老实实待在固定位置”的真实含义,是指他们不能进行网络化通信,只能到一个物理通路的固定的两端进行密码生成和交换的工作。这没有效率,又成本昂贵。


5. 信道阻塞


在通信史上,人们对保密通信的破坏,并不是完全通过偷听敌人或对手通信的方式进行的。对于有线通信,你可以剪断电话线。而对于无线通信,只要察知其信道存在,你就可以按照这个信道的通信频率,释放大量的干扰电波,让敌方根本就没有办法进行有效的通信。这个方式,叫做信道阻塞。


这就是说,王麻子干脆不听张三李四的体己话,在电话里一阵乱吼,让张三李四说不成话。


这正是经典派对量子派的另一个质疑:量子信道是否抗干扰?


以量子通信卫星为例。我们假定其保密性能确能达到要求,也不考虑大规模商用,而只是军事用途。这时,我们发个卫星,可以释放大量类似的光子进行干扰。


这不过是信道阻塞的改进版,其针对的,是量子通信信道的“物理脆弱性”。因为量子通信用的就是频带窄、功率低的光,通道容易被干扰。


而从量子通信的原理上讲,我都不用干扰,只要保持一直能偷听并接收纠缠光子,即可使正常通信方通信不正常了。


那样的话,量子派如何应对呢?


当然,我并不是说,这些问题,量子派无法回应。但是,我们至少得知道,经典派问的问题是什么。


而且,回答这些问题,也有助于量子派的进步。回顾通信史,正是既要网络化又要高效接通电话的需求,催生了大规模程控交换机;正是抗干扰的需求,催生了扩频技术,而扩频技术正是CDMA移动通信系统的核心。我也希望量子派有一天有自己的量子交换机、量子扩频技术。


请各位吃瓜朋友看看上述这些问题问得有没有道理,顺便点个赞。


以上经典派的观点,在美国的李宁教授传来的资料中和南开大学高山教授编撰的笑话中都有呈现,特此向他们致谢。另外,“春意闹”微信群对文章进行了大量的批判修改,尤其是张艺琼、吕秀齐、姬扬、李轻舟给出了非常中肯的意见,特此向他们致谢。


本文来自:返朴(ID:fanpu2019),作者:徐晓(华南理工大学物理与光电学院)   

*文章为作者独立观点,不代表虎嗅网立场
本文由 返朴 授权 虎嗅网 发表,并经虎嗅网编辑。转载此文请于文首标明作者姓名,保持文章完整性(包括虎嗅注及其余作者身份信息),并请附上出处(虎嗅网)及本页链接。原文链接:https://www.huxiu.com/article/289689.html
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