撥開迷霧看“量子通信”—— 理性分析切勿夸大
時間:2016-10-31 13:46:33 來源：
大夢說：撥開迷霧看“量子通信”—— 理性分析切勿夸大adss光纜
這幾天一陣風吹開寶寶事件和里約奧運這兩團迷霧，繼而在各大主流媒體及網絡媒體上越刮越大，大事件引得文章無數鋪天蓋地而來，這就是“量子通信”。讀了數篇還是令人滿頭霧水，即便在一些權威媒體的文章和科技大咖嘴里對其技術核心也是語焉不詳。
我國首顆量子衛星發射成功可喜可賀。對“量子通信”的溢美之詞也是塵囂甚上，加以“最安全”“無條件安全”“心靈感性”等修飾，大有大話神話該技術的形勢。根據近期收集的一些信息加以分析，筆者認為，當前的“量子通信”系統與傳說中的利用量子糾纏的隱形傳態，量子計算等搶眼的字眼沒半毛錢關系。現階段該系統僅是利用量子特性實現密鑰交換。好比就是在兩個人之間傳遞鑰匙，一旦發現有人監聽便立即停止！更無其他諸如隔山傳牛的功能。即便如此也存在諸多技術問題需要探討，容大夢慢慢道來。
【量子是什么】
*對這部分已經熟悉或者覺得太抽象的可以直接跳過本小節，不影響整體閱讀。
首先交代下“量子通信”里涉及的量子力學里面的理論及觀點。
一個物理量如果存在最小的不可分割的基本單位，則這個物理量是量子化的，并把最小單位稱為量子。量子英文名稱量子一詞來自拉丁語quantus。物理學中用到量子的概念，指一個不可分割的基本個體。例如，“光的量子”（光子）是光的單位。
量子狀態疊加性，在量子被測前可按某種概率分布處于所有可能的狀態，觀測后則“塌縮”為某個確定的狀態。
量子糾纏：兩個或多個量子可處于“糾纏”態，“糾纏”態下的量子，不論它們在空間中位置相距多遠，其狀態總保持一致。這個也是令愛因斯坦百思不得其解的現象。
量子的信息承載: 利用光子的偏振態來傳輸信息即光子有兩個偏振互相垂直方向表示“0”和“1”。
不確定性原理（Uncertainty principle，又稱測不準原理）由海森堡于1927年提出，這個理論是說，你不可能同時知道一個粒子的位置和它的速度，粒子位置的不確定性，必然大于或等于普朗克斯常數除于4π（ΔxΔp≥h/4π），這表明微觀世界的粒子行為與宏觀物質很不一樣。
【何謂通信系統與密碼系統？】
所謂通信系統應是利用傳輸媒介來載荷并遞送信息，實現通信對象間信息交流的系統。我們用的電話，無線通信，微信等是典型的通信系統實例。
密碼系統是Shannon在1949年中明確提出的，借助密鑰控制下的加密和解密變換，實現秘密通信的系統。
加密模型包含安全強度較高的非對稱密鑰系統和對稱密鑰系統。非對稱密鑰是一對鑰匙，公鑰負責加密，私鑰負責解密。私鑰安全保存，無需日常攜帶和傳輸，所以安全性相對較高。對稱密鑰就是一把鑰匙既負責加密還負責解密，密鑰通常要在兩端傳輸，一把鑰匙丟了或者被破解就安全失效。由此可見基于對稱密鑰的安全系統并非絕對安全或是無條件安全。
【“量子通信”系統從哪里來？】
梳理清楚了大致的概念，再一起學習下當下的這個“量子通信”。
“量子通訊”研究始于Bennett和Brassard提出的BB84協議。其原理是由A向B發射一系列不同偏振態的光子，承載一串比特流，B對其進行隨機測量提取信息。在驗證密碼的過程中，如果存在竊聽測量，將有一半的機會改變量子態本身（即令量子態坍縮）。
發送雙方事后通過一個傳統信道進行公開比對，如果發現雙方在采用同樣的測量方案時測得的量子態是不一致的，就可以判斷量子信道上有竊聽者。于是可以有效發現竊聽，從而關閉通信，或重新分配密鑰，直到沒人竊聽為止。
在目前的“量子通信”系統中協商分發的是對稱密鑰。這樣看來當量子物理相關假設成立的情況下，理論上本系統的特點在是傳輸對稱密鑰過程中監測是否被監聽，如果是就立即停止工作。
【“量子通信”？想說愛你不容易】
那么相關的理論，技術問題就來了。
首先，對比通信系統和安全系統的概念，當前的“量子通信”系統其本質是做了對稱密鑰協商（或者分發），沒有真正意義上的消息傳輸。不是量子密碼系統更不是通信系統。更談不上開創新的門類的通信及密碼系統。
其次，密碼學是假定敵人始終在竊聽的，“量子通信”主要的貢獻就是一旦偵聽到敵人的竊聽就停止收發，停止消息傳輸，“顛覆”了現有密碼系統的應用理念。也就是說僅在某些假定極端場景，即在為了應付竊聽導致系統無法承受其加密復雜度的情況下起到有限作用。
另外，關鍵的是比對A端和B端的消息是否一致的工作是通過傳統信道來進行的，即依賴于“量子通信”以外的一個傳統(常規安全)通道上做的對比。一個安全系統的總體安全程度是由其最脆弱部分所決定的，所以該系統整體安全程度和未采用“量子通信”的常規安全系統大體相當!
還有，對錯誤檢測靈敏度定量分析的問題。竊聽檢測者由于隨機選擇測量方式導致50%概率的光子偏振變化，導致接收方有概率性的測量到錯誤密碼。注意這些都是概率性的!也就是說在小數據傳輸中，也有一定的概率無非檢測到竊聽。這點需要定量計算分析其概率風險及安全完備性。其它諸如技術的實用性，應用經濟性等問題更待后續討論。
此外，利用量子糾纏來直接傳輸量子比特，它還處于基礎研究階段，未用于當前系統，與這個“量子通信”系統無關。量子計算機的功能與這個“量子通信”系統無關! 所以當你見到什么量子隱形傳態，量子計算等搶眼的字眼就一帶而過吧。
重要的事兒說三遍，現階段“量子通信”僅是利用量子特性實現密鑰交換。所謂的“最安全”，“無條件安全”的說法，無論是從絕對定量和相對比較，從理論到實踐都缺乏論據支撐。
本人對量子通信了解相當粗淺，只不過看到當前很多文章的內容觀點有些模糊，困惑甚至誤導，本著求真和好奇的心態搜集了些文章資料，包括潘建偉院士，西安電子科技大學王育民教授，中科院張文卓教授，上海大學曹正軍教授等，加以分析總結。希望大家多探討指正拍磚。
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