经典派有经典派的误区，量子派有量子派的罩门。
撰文 | 姬扬（中国科学院半导体研究所研究员）
量子通讯争议的双方是经典派和量子派，他们对保密通讯有两种不同的看法：经典派采用的是数学方法，赌的是你随便听、反正你解不了密；量子派采用物理方法，赌的是只要你偷听、我就能知道。最近几年，量子派在学术界的风头很劲，而经典派只能在网上搞些争议。
上次我在《量子保密通讯，经典派陷入的N个误区》中提到，量子通讯争议中，经典派在战略上太托大（没有重量级的人物站台），在战术上太自大（对量子密钥传输的技术细节研究不够透彻，与量子物理学的理论基础相悖），所以在辩论中落在下风、搞得灰头土脸的。
那么大家就要问了：照你这么说，量子派完胜！还争议啥？散了散了，都回家吃瓜算了。然而，事情并没有这么简单。
量子派的罩门在哪里？
成也萧何，败也萧何。
天底下没有完美无缺的事情，有一利必有一弊，量子通讯也不例外，量子派同样是既有优点，也有缺点。在我看来，量子派一大优点是宣传搞得好，而最大的缺点是宣传搞得太好了。
量子派的优势
首先，量子通讯的宣传确实搞得好，这为量子通讯成为一个热门社会话题立下了大功。
贝尔不等式把量子力学的争论从哲学思辨领域带入了实验验证领域，BB84协议第一次给出了一种理论上的方法检验是否有人在偷听，这些都是了不起的理论贡献，其具体实现也是伟大的实验进展。然而，自从在实验室验证了BB84协议，之后的发展都是直截了当的：试用不同的单光子源，或者换用纠缠光子源；提高单光子源或纠缠光子源的效率；用单光子干涉态替换偏振态；试用不同的单光子探测器并提高其效率；改用新的通讯协议（如诱骗态协议）；延长量子通讯的距离。但这些主要是工程方面的进展，以延长通讯距离为例，如果张三和李四能够在一个屋子里实现量子通讯，那么他们搬到马路对面的两个屋子里，在一个城市的两端，两个不同的城市，甚至一个在天一个在地，张三和李四采用的设备都不用变化，需要考虑的问题只是光信号的损耗——光纤通讯中光纤的吸收或者自由空间通讯中光的衍射和空气的吸收。其中确实有很多非常有挑战性的工程问题，但都难以算是科学问题，不知道为什么会那么引人注目。
再看看关于量子通讯“漏洞”的讨论。量子通讯领域讨论的攻击，都是极限状态下的攻击，给王麻子的权限非常高，只要不违反自然规律，都可以使用——有时甚至赋予他一些超自然的力量。例如之前说过的“探测器致盲攻击”和“注入攻击”，王麻子发出一束很强的光照进张三或者李四的工作室里，可是张三和李四愣是“装作没看见”，煞有介事地讨论王麻子造成的“漏洞”问题。再如“光子数分离”（PNS）攻击，王麻子不但拥有神奇的“剥皮”功能（从同时过路的几个光子中“扣下”一个或几个，还能让剩下的几个毫发无损地“走人”）和强大的量子存储能力（长时间的把光子保存下来，因为必须等到张三和李四用大喇叭喊话以后才能进行测量），还要具有逆天的无损耗传输光子的能力（否则王麻子扣下一个光子，李四在那边数数就会发现自己经常性地丢失光子——肯定是有人捣乱了），这种通敌行径简直是“令人发指”。量子派唯一的底线是承认，完全的中间人攻击是无法抵抗的，但这相当于说王麻子切断张三和李四之间所有的通讯途径（不管是量子的还是经典的，不管是喊大喇叭，还是递小纸条），这完全是予取予求的架势，根本不是势均力敌的对抗。
更别说那些经常出现在科普文章里的量子力学（特别是量子纠缠）的神奇解释了。这种讨论进行得热火朝天，仿佛连玻尔和爱因斯坦都恨不得从天堂里跳下来，抱着薛定谔的那只猫来参加讨论。
现在有些明白了，这些都是宣传的技巧。量子派激烈地讨论这个“漏洞”、那个“攻击”，给王麻子赋予各种神奇的能力，其实是因为量子通讯在发现是否有人偷听这方面毫无漏洞，而其真正的短板在其他方面：一是信息的传送速率太低、可能会让人急死；另一个是量子通讯只是信息安全系统这个整体的一部分，并不能包打天下。
所以说，量子派依靠宣传成功地将人们的注意力集中在了它最擅长的方面：发现偷听者。
量子通讯的短板
量子派当然也知道自己的短板，也在努力想办法。例如，真正的高效率的单光子源（每次按需发射1个且只有1个光子）目前还没有实现，大多是用衰减脉冲激光束的方法近似实现，如果衰减足够大，就可以近似地看成单光子源，如平均每束光里只有0.1个光子，也就是说，每10次发射只有1次有1个光子，其他9次都是空的，那么100次发射才会出现1次有2个光子的情况（以此类推,1000次中有10次2个光子,1次3个光子，等等），如果觉得还不够，就让每束光里只含有0.01个光子（发射100次，只有1次有光子，其他99次都是空的）。这样能够满足BB84协议的要求，但是传输效率太低。为了提高传输效率，就要提高每束光里的平均光子数，但是，一次发射出现多个光子的次数就会显著增多，为了抵御“光子数分离”攻击，才提出了诱骗态协议。简而言之，BB84协议是，0个和1个有显著的差别，有就是有、没有就是没有，谁都别想骗我；诱骗态协议是，1个和3个（随便说的一个数，只要这个数很小就可以了）也有些差别，王麻子拿走一个两个的，我还是能发现的。在诱骗态协议里，每次发射的平均光子数仍然是1的量级（例如0.5或者0.7，绝对不是10或者100，丢了一个还是会有显著结果的），但是已经比0.1和0.01好得多了，而且也能够发现是否有人在偷听。
正是因为有了诱骗态协议，量子通讯的有效传输范围才能够从二三十千米拓展到上百千米。京沪干线总长度是2000多千米，有32个中继站，两站之间的距离约是七八十千米。利用纠缠光子源，可以让张三和李四的通话距离加倍，因为纠缠光子源位于这两个人的中间，同时向他们各自发射一个偏振关联的光子（纠缠光子对就是这个意思）。这种方法能够达到的距离是有上限的，主要来自于传输过程中的光损耗：基于光纤的量子通讯系统，目前最远的传输距离是400千米，而传码率只有可怜的每小时1比特；基于墨子号卫星的系统，两年前大约是每秒1万比特（我在卫星发射前的估计是每秒钟几千比特），现在据说达到了每秒40万比特（这个可能是基于单光子通讯的星地传输，而不是地面两个基站之间通过卫星中介的信息传输）。
至于量子通讯只管张三和李四这一段，如果组成通讯网络必须考虑各个站点的保密问题，这是显而易见的，量子派肯定知道这一点，而且并不觉得这真的是个问题——只要采用经典派现成的技术就可以了。量子通讯并不是只能用量子方法，量子方法只是整个信息安全体系的一个有机部分。为了系统的总体目标，当然是可以无所不用其极——你凭什么限制我？
但是话说回来，量子派在成功宣传的同时，也留下了一些后患——他们的宣传太成功了，让很多人（包括出来反对量子派的经典派人物）以为，量子通讯具有“绝对安全性”、甚至能够包打一切，结果量子派给自己挖了一个坑，一个很深很大的坑。
孰吉孰凶？孰去孰从？
说到这里，不免想戏谑一下经典派和量子派。上次我们提到：因为出来唱反调的经典派犯了一些非常简单的错误，还试图推翻量子力学的基础，简直不忍直视，看上去就跟量子派的“托儿”似的——好像就是为了制造有争议的假象，让人们的注意力集中在量子派的优势方面。不过“经典派”可能也棋高一着呢，他们一直没有大人物出来站台，也许是因为大人物早就看清形势了：你们量子派闹得再凶，也不可能包打天下，将来还是要用经典方法和经典网络。
我觉得，量子通讯争议这件事有些像谈恋爱。天天到公主窗前送鲜花、唱情歌的，并不一定能抱得美人归。就算你歌唱得再好、海豚音飚得再高，也只能赢得吃瓜群众的喝彩，而真正的白马王子可能早就登门入室、与公主共进烛光晚餐了——人家才不会出来和你赛歌呢，最多给你个神秘的微笑。
量子派也许只是个飙海豚音的，人家经典派才是真正入洞房的！
简而言之，量子派既有优点，也有缺点。量子派最大的优点是宣传搞得好，成功地将人们的注意力集中在他最擅长的方面——发现偷听者。量子派最大的缺点是宣传搞得太好了，成功地让许多人以为，量子通讯具有“绝对安全性”、甚至能够包打一切，给自己挖了一个坑，一个很深很大的坑。
上次说过，现在关于量子通讯的争议虽然很热闹，但怎么看都像鸡同鸭讲，让人看了着急！现在我们看到，经典派有经典派的误区，量子派有量子派的罩门，那么，量子通讯争议将来会怎么发展，也就显而易见了。
量子通讯争议：将来会怎么样？
兵者，诡道也。故能而示之不能，用而示之不用，近而示之远，远而示之近。
谈论未来总是危险的——因为谁也不是神汉转世。我也只能就几个问题谈谈自己的看法。
量子通讯网络的成本
先简单估计一下量子通讯网络的成本。估计数量级是学物理的基本功，估计值与实际值差个三五倍很正常，但如果拿去讨论工程造价，肯定是笑话了——权当娱乐好了。
量子通讯的基础是量子不可克隆定理，而这个定理反过来又限制了光子的完美复制，所以我觉得，量子中继器是造不出来的（再次强调，这是个人观点，我也不认可基于“量子芝诺效应”之类的量子中继器），这就限制了量子通讯单次传输的最大距离：基于光纤的量子通讯大约是100千米，基于卫星的量子通讯大约是1000千米。
我国的陆地面积是1000万平方千米，那么覆盖全境的光纤网络需要1000个基站，总计长度20万千米的光纤，假设一个基站造价100万人民币，一千米光纤1万，大概要30亿。考虑到现在的光缆里面都是几百根也许更多的光纤，一次还可以铺设不止一条光缆，而量子通讯只不过用一根光纤，以后还有同时使用几个不同波长的可能性，所以铺设光纤网络的真实成本可能还要低。建造基站的价格也许会高一些，还没有考虑安保的要求（毕竟是“可信中继”嘛）。好了，30亿，数量级是不会错的，但是不可能给出更精确的价格了——上下差个3倍很正常。对于这样的网络，相邻两个基站之间的量子信息传送速率大概是100兆每秒。
基于卫星的量子网络，估计起来就更困难了。卫星的发射成本是个谜，而相邻地面站的距离若为1000千米的话，只需要建10个，其实每个省建个天文观测台就可以了，而量子通讯只需要用一个天文望远镜而已（直径大概是1米）。这些成本也很难估计，我猜是100亿吧（包括5~10颗卫星？），应该也不会差出3倍的。因为卫星和地面的通讯是串行操作，一次只能联系一个基站，卫星2小时转一圈，每个基站顶上停留大约5分钟，现在的最大传递速率是40万比特每秒（我觉得已经到极限了），那么平均下来的传输速率不过是2万比特每秒（如果说白天或者雾霾天气还会更低）。
好了，拍出200个亿（考虑了人工成本），你就可以得到两个量子通讯网络，一个光纤的，一个卫星的。干不干？我们普通人肯定没有这个钱，但是政府只要愿意，还是掏得起的：只是几十千米高铁的造价嘛。当然，这个量子通讯网络只是个混合网络，量子通讯（也就是那个量子密钥传输）只是其中的一部分，需要控制的范围缩减为1000个基站（保持其“可信性”），值不值？我们普通人肯定也不知道，还是要政府拍板。
量子通讯的安全问题
接着谈谈量子通讯网络的安全问题。最终的量子通讯网络（如果真建成的话）一定是混合网络，相邻基站之间用量子通讯检测偷听者，基站内部的管理和整个网络的协调肯定还是离不开经典方法。保密是目标，为了这个目标当然是不择手段，绝不会区分什么量子还是经典，哪个好用就用哪个。
检查这个网络的安全性，也是个庞大的系统工程，成本也是个人无法估算的——安全性的价值等于被保密信息的总价值。这种保密网络的安全性检查，肯定是要政府指导、各部门协调、团结一切可以团结的力量，大家齐心协力才有可能进行的，肯定不会单纯为了量子派和经典派的争论就来一次的。从这个意义上讲，前一阵国盾公司提出的“打擂台”方法简直就是搞笑了。我不能破译你的密码，当然不会来献丑，即使我能够破译你的密码，显然也有更来钱的方式——即使有人知道破译方法这件事本身的价钱就绝对不止100万。举个例子：在二战时期，图灵破译了德国的密码系统，丘吉尔知道德国将轰炸考文垂，但是决定不做任何特殊的准备，以防止希特勒可能猜到其密码被破译了。仅仅为了不让敌人知道自己能够破译密码，就不惜牺牲一个城市——还可能牺牲更多的。
量子通讯的未来
既然最终的网络是混合网络，就有谁来主导的问题。从量子派的角度说，如果在可预见的未来，真的搞出来能够破译RSA密码的量子计算机，虽然经典派还可以说，我只要简单加倍密码长度就可以了，但这肯定是量子派的巨大胜利：“看看，我跟你说过的！”这应该是最乐观的情况了，但是量子计算机的未来很有可能是很长的30年：再过30年，我就跟你说，只要再过30年，我就可以跟你说……（编者注：关于量子计算机，建议查阅文末“相关阅读”4和5。）
如果真的搞不出来量子计算机，就有些麻烦了。量子派和经典派的结合来自于使用者的要求，使用者偏向于哪一边，哪一边的力量肯定就大。如果没有这个外部的强制要求，量子派就很难了：转向？人家早就觉得你是鸡肋了，不一定想要。主导？这个难度太大了，人家可能说你什么都有了，最后还得我干活？
最后再来一个设想。
量子通讯的卖点是能够发现偷听者，或者说保证没有偷听者。在光纤系统里，除非利用量子通讯方法，这是很难做到的；但是在基于卫星的星地通讯或者星星通讯中，有个显然的方法可以做到：不管是发射者还是接受者，都是一个大家伙（尺寸是米的量级），这么大的家伙是无法隐形的——NASA能够监视太空轨道上所有尺寸在厘米以上的物体，中国肯定也能做到，在基站附近放个1米大小的望远镜更是不可能逃脱监控的。张三和李四的连线上，有没有站个王麻子？这个问题简直就是和尚脑袋上的虱子——明摆着的呀。
如果确实是这样，量子派就有个显而易见的脱身法：只要提高信号光的强度，就可以大幅度提高信息传送速率——不搞基于单光子的量子通讯了，我们搞的是大范围的自由空间光互联，卫星间对准和星地对准都是已经解决了的问题，弱光发射和探测更是我们的拿手绝技。一个基于卫星的自由空间光互联系统就诞生了！
所以说，未来虽然不可预料，但只要准备充分，未来还是美好的。
发表于 2019-5-23 18:55
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