量子通信的人生座右铭：
一羽不能加，蝇虫不能落
人不知我，我独知人
引言
王宗岳在《太极拳论》中谈到“一羽不能加，蝇虫不能落，人不知我，我独知人”。这句话的意思是在练习太极拳时，要用意不用力，就算轻若羽毛，微若蚊蝇，只要触及人体任何部位，都能立即感知并迅速反击。太极宗师这句话正好是对量子加密通信的高度概括，量子的保密原理从“测不准原理”出发，任何“窃听者”只要观察或测量均会造成量子态的扰动，从而造成系统的反常，除了窃听者不能获得正确信息外，同时提醒通信双方已经泄密，可谓“一羽不能加，蝇虫不能落”，被称为“绝对安全”的加密方式。
01
在一些怀旧的谍战片里我们经常会看到这样的画面：一个影子爬上电线杆，接上一个窃听设备，就能截获双方的电话信息。
如上图，农历7月初7，在银河系两畔，通过电缆通信牛郎与织女互诉相思之苦，浑然不知天宫里的“顺风耳”正在窃听，在传统的电缆通信中，“顺风耳”只需要把类似万用表或者示波器一样的东西，接在两者之间的电缆上，便能听到两者“你侬我侬”。这个手段最恐怖的地方在于，窃听者“顺风耳”并不会改变和影响信息的信号。牛郎织女永远都不知道，数千年来，两人所说的情话都被记录在天宫档案。
但纸里包不住火，住在天宫里的六仙女偷偷给织女打小报告，两人就把电缆换成了光纤通信，这样的话安全保密性要好得多，牛郎织女松了口气，以为再也没有人知道两人的隐私了，这下可以放心地呻吟了，但没想到顺风耳通过“弯曲光纤”的方式再次进行了“窃听”，而且效果比以前更清晰，“顺风耳”这哪是在工作，明明是天宫给的福利。
上图便是光纤窃听中的一种方案，原理是弯曲光纤，使得部分光信号外泄，探测器将信号传回电脑通过计算得出正确信息。由于吸收、散射等原因会引起光纤损耗，光纤损耗本来就是飘浮不定的，因此，窃听所导致的损耗会淹没在环境变化里，没有人能够意识到光信号被窃取。
所以，无论是电缆通信和光纤通信：最可怕的不是信息被窃取，最可怕的是被窃取后毫无察觉。
02
自从拥有了智慧，人类就一直在忙着加密和解密。
历史上最早的有记录的密码术在公元前5世纪。古希腊斯巴达人使用一种叫作scytale的棍子来传递加密信息。在scytale上，斯巴达人会呈螺旋形地缠绕上一条羊皮纸或皮革。发信人在缠绕羊皮纸上横着写下相关信息，然后将羊皮纸取下，这样羊皮纸上就是一些毫无意义的字母顺序。如果要将这条消息解码，收件人只要将羊皮纸再次缠绕在相同直径的棍棒上，这样就可以读出信件内容。
越是到了近代，密码学就变得更加重要，特别是在战争时期，谁破解了对方的密码体系，就基本上掌握了战争的主动权。事关生死存亡，密码学领域基本上集中了人类最聪明的人。
但有加密就有解密，有解密就有新的加密……在谍战天空里，没有破解不了的密码。
二战时期，日本海军各个单位都用同一套密码本，其中的密码都是规定死的。一旦敌方缴获了密码本，或者破解了部分密码，就会获取大量军事机密。结果，美军破解了密码，摸清了日本海军总司令山本五十六的行踪，然后山本五十六就game over了。
德军当时集中了人类最优秀的密码学家，他们设计了一种机器，在运转的时候会产生成千上万种新的密码，叫做谜机。但是当美英联军缴获了德军的一台谜机后，也可以制造专门破解谜机的机器，当希特勒还沉迷在一统欧洲的梦想之中，却不知道英美的情报部门已经在他的太阳穴上扣动了扳机。
到了现代，我们几乎时时刻刻都用到密码算法，例如你们登录量子学派的账号，给不喜欢钱的马云转账等等，因为只有它才能保证通信和交易的安全。
03
现有世界的加密算法，已经足够彪悍，只要钥匙长度足够，以现在的电脑算力基本不能破解，或动辄以亿万年计。随便举个例子，破解RSA-2048的密钥可能需要耗费传统电脑10亿年时间，如果你仍然不放心，可以在后面加几个字节，那就算“天河二号”以每秒5.49亿亿次进行不间断计算，也要算到宇宙归零。
所以，现代密码包括椭圆曲线体制，被广泛用于保护我们的在线支付、银行交易、电子邮件甚至语音通话。通常被认为是安全的，可以抵御来自现代计算机的攻击。
但量子计算机的出现，对称加密算法和非对称公钥加密算法都是巨大威胁。一个1024位的RSA密钥，在调用量子计算机面前连1秒种都不到就会被攻破，而与之对比，Core i7处理260位RSA密钥所花时间为1小时。传言中人类不可能逾越的RSA-2048密钥，可被由4000个量子比特和1亿个门组成的量子计算机破解。
原因是量子计算的基本单元——量子位因为量子叠加态的特性，不像我们现在的计算位一样只能存储0和1两个逻辑态。这使得n个量子位的量子存储器所能储存数的数量，是传统存储器的2的n次方倍。n量子位的量子计算机的运算能力，也是传统计算机的2的n次方倍。
假如量子计算机真的被商业化应用，那整个现代社会的加密体系，就如纸糊的灯笼一般。这种效率让暴力破解看起来并不野蛮，甚至还生出一分闲庭信步的气质。
04
量子计算机，是人类科学家从“潘多拉盒子”里放出来的猛兽，在现在的物理基础理论里，唯一能够对抗它的就只有量子加密。能打败量子的，只有它自己，这真是一个无敌存在。
根据量子力学原理，微观世界中粒子位置是不可能被确定的，它以不同的概率存在于不同的位置，这一点可以参考薛定谔的猫和海森堡的测不准原理。
因为量子态不可克隆：复制（即克隆）任何一个粒子的状态，首先都要测量它。但是量子态不同于经典状态，它非常脆弱，任何测量都会改变量子态本身（即令量子态坍缩），因此量子态无法被任意克隆。不管它有多神奇，反正它已经在数学上被严格证明，连一直不服的爱因斯坦同学也没办法反对它。
在传统加密体系里，窃听者在窃听经典信息的时候，等于复制了经典信息，使信息的原本接收者和窃听者各获得一份。但是在量子态传输时，窃听者无法克隆任意量子态，因为窃听者在拦截量子通讯的时候，就会销毁他所截获到的量子态。
大致意思是，量子态是个玩命的主儿，无论谁想抓住它，它就服毒自杀，就算司马空出手，也完全没有办法。
这不仅仅只是一种理论，1984年IBM公司提出来了量子密钥分配概念，和对应分配协议——BB84协议，为量子加密通往现实应用打开了通道，当光子被截获时经过了测量，偏振状态就发生了改变，窃听者无法解码或误码率增大。
2017年8月10日在1200公里通信距离上，中国“墨子号”星地量子密钥传输再次证明未来可期，量子加密的效率比地面光纤信道高1万亿亿倍，卫星平均每秒发送4000万个信号光子，一次实验可生成300千比特的密钥，平均成码率达1.1千比特/秒。
执子之矛，攻子之盾，历经先贤们的锤炼，神秘的量子理论愈发高深几无对手，现在已经只能自己跟自己“左右互搏”了。
结语
有两门学问是公认的世界难题：密码学和量子理论。
密码学中的加密和解密，充满了智慧和欺诈，集中了数理和计算，结合了人性和理性。正反双方的斗智斗勇，是整个科学体系集中到“针尖”上的对抗。敌我双方的剑拔弩张，更是高智商族群知识面的整体发力。
而量子理论，它走在现代物理学的最前沿，虽然玄之又玄却又在指导人类前进，虽然神秘莫测却又反复被认证是正确的。大部分人没有办法理解它，但它又是合理的。
量子加密把世界上最难的两个学科结合起来，这也是它的魅力所在。加密的最高境界与太极拳的最高境界不谋而合：“一羽不能加，蝇虫不能落；人不知我，我独知人”。
发表于 2017-8-22 17:53
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