量子通訊爭議的雙方是經(jīng)典派和量子派，他們對保密通訊有兩種不同的看法：經(jīng)典派采用的是數(shù)學方法，賭的是你隨便聽、反正你解不了密;量子派采用物理方法，賭的是只要你偷聽、我就能知道。最近幾年，量子派在學術界的風頭很勁，而經(jīng)典派只能在網(wǎng)上搞些爭議。

上次我在《量子保密通訊，經(jīng)典派陷入的N個誤區(qū)》中提到，量子通訊爭議中，經(jīng)典派在戰(zhàn)略上太托大(沒有重量級的人物站臺)，在戰(zhàn)術上太自大(對量子密鑰傳輸?shù)募夹g細節(jié)研究不夠透徹，與量子物理學的理論基礎相悖)，所以在辯論中落在下風、搞得灰頭土臉的。

那么大家就要問了：照你這么說，量子派完勝!還爭議啥?散了散了，都回家吃瓜算了。然而，事情并沒有這么簡單。

量子派的罩門在哪里?

成也蕭何，敗也蕭何。

天底下沒有完美無缺的事情，有一利必有一弊，量子通訊也不例外，量子派同樣是既有優(yōu)點，也有缺點。在我看來，量子派一大優(yōu)點是宣傳搞得好，而最大的缺點是宣傳搞得太好了。

量子派的優(yōu)勢

首先，量子通訊的宣傳確實搞得好，這為量子通訊成為一個熱門社會話題立下了大功。

貝爾不等式把量子力學的爭論從哲學思辨領域帶入了實驗驗證領域，BB84協(xié)議第一次給出了一種理論上的方法檢驗是否有人在偷聽，這些都是了不起的理論貢獻，其具體實現(xiàn)也是偉大的實驗進展。然而，自從在實驗室驗證了BB84協(xié)議，之后的發(fā)展都是直截了當?shù)模涸囉貌煌膯喂庾釉矗蛘邠Q用糾纏光子源;提高單光子源或糾纏光子源的效率;用單光子干涉態(tài)替換偏振態(tài);試用不同的單光子探測器并提高其效率;改用新的通訊協(xié)議(如誘騙態(tài)協(xié)議);延長量子通訊的距離。但這些主要是工程方面的進展，以延長通訊距離為例，如果張三和李四能夠在一個屋子里實現(xiàn)量子通訊，那么他們搬到馬路對面的兩個屋子里，在一個城市的兩端，兩個不同的城市，甚至一個在天一個在地，張三和李四采用的設備都不用變化，需要考慮的問題只是光信號的損耗——光纖通訊中光纖的吸收或者自由空間通訊中光的衍射和空氣的吸收。其中確實有很多非常有挑戰(zhàn)性的工程問題，但都難以算是科學問題，不知道為什么會那么引人注目。

再看看關于量子通訊“漏洞”的討論。量子通訊領域討論的攻擊，都是極限狀態(tài)下的攻擊，給王麻子的權限非常高，只要不違反自然規(guī)律，都可以使用——有時甚至賦予他一些超自然的力量。例如之前說過的“探測器致盲攻擊”和“注入攻擊”，王麻子發(fā)出一束很強的光照進張三或者李四的工作室里，可是張三和李四愣是“裝作沒看見”，煞有介事地討論王麻子造成的“漏洞”問題。再如“光子數(shù)分離”(PNS)攻擊，王麻子不但擁有神奇的“剝皮”功能(從同時過路的幾個光子中“扣下”一個或幾個，還能讓剩下的幾個毫發(fā)無損地“走人”)和強大的量子存儲能力(長時間的把光子保存下來，因為必須等到張三和李四用大喇叭喊話以后才能進行測量)，還要具有逆天的無損耗傳輸光子的能力(否則王麻子扣下一個光子，李四在那邊數(shù)數(shù)就會發(fā)現(xiàn)自己經(jīng)常性地丟失光子——肯定是有人搗亂了)，這種通敵行徑簡直是“令人發(fā)指”。量子派唯一的底線是承認，完全的中間人攻擊是無法抵抗的，但這相當于說王麻子切斷張三和李四之間所有的通訊途徑(不管是量子的還是經(jīng)典的，不管是喊大喇叭，還是遞小紙條)，這完全是予取予求的架勢，根本不是勢均力敵的對抗。

更別說那些經(jīng)常出現(xiàn)在科普文章里的量子力學(特別是量子糾纏)的神奇解釋了。這種討論進行得熱火朝天，仿佛連玻爾和愛因斯坦都恨不得從天堂里跳下來，抱著薛定諤的那只貓來參加討論。

現(xiàn)在有些明白了，這些都是宣傳的技巧。量子派激烈地討論這個“漏洞”、那個“攻擊”，給王麻子賦予各種神奇的能力，其實是因為量子通訊在發(fā)現(xiàn)是否有人偷聽這方面毫無漏洞，而其真正的短板在其他方面：一是信息的傳送速率太低、可能會讓人急死;另一個是量子通訊只是信息安全系統(tǒng)這個整體的一部分，并不能包打天下。

所以說，量子派依靠宣傳成功地將人們的注意力集中在了它最擅長的方面：發(fā)現(xiàn)偷聽者。

量子通訊的短板

量子派當然也知道自己的短板，也在努力想辦法。例如，真正的高效率的單光子源(每次按需發(fā)射1個且只有1個光子)目前還沒有實現(xiàn)，大多是用衰減脈沖激光束的方法近似實現(xiàn)，如果衰減足夠大，就可以近似地看成單光子源，如平均每束光里只有0.1個光子，也就是說，每10次發(fā)射只有1次有1個光子，其他9次都是空的，那么100次發(fā)射才會出現(xiàn)1次有2個光子的情況(以此類推，1000次中有10次2個光子，1次3個光子，等等)，如果覺得還不夠，就讓每束光里只含有0.01個光子(發(fā)射100次，只有1次有光子，其他99次都是空的)。這樣能夠滿足BB84協(xié)議的要求，但是傳輸效率太低。為了提高傳輸效率，就要提高每束光里的平均光子數(shù)，但是，一次發(fā)射出現(xiàn)多個光子的次數(shù)就會顯著增多，為了抵御“光子數(shù)分離”攻擊，才提出了誘騙態(tài)協(xié)議。簡而言之，BB84協(xié)議是，0個和1個有顯著的差別，有就是有、沒有就是沒有，誰都別想騙我;誘騙態(tài)協(xié)議是，1個和3個(隨便說的一個數(shù)，只要這個數(shù)很小就可以了)也有些差別，王麻子拿走一個兩個的，我還是能發(fā)現(xiàn)的。在誘騙態(tài)協(xié)議里，每次發(fā)射的平均光子數(shù)仍然是1的量級(例如0.5或者0.7，絕對不是10或者100，丟了一個還是會有顯著結果的)，但是已經(jīng)比0.1和0.01好得多了，而且也能夠發(fā)現(xiàn)是否有人在偷聽。

正是因為有了誘騙態(tài)協(xié)議，量子通訊的有效傳輸范圍才能夠從二三十千米拓展到上百千米。京滬干線總長度是2000多千米，有32個中繼站，兩站之間的距離約是七八十千米。利用糾纏光子源，可以讓張三和李四的通話距離加倍，因為糾纏光子源位于這兩個人的中間，同時向他們各自發(fā)射一個偏振關聯(lián)的光子(糾纏光子對就是這個意思)。這種方法能夠達到的距離是有上限的，主要來自于傳輸過程中的光損耗：基于光纖的量子通訊系統(tǒng)，目前最遠的傳輸距離是400千米，而傳碼率只有可憐的每小時1比特;基于墨子號衛(wèi)星的系統(tǒng)，兩年前大約是每秒1萬比特(我在衛(wèi)星發(fā)射前的估計是每秒鐘幾千比特)，現(xiàn)在據(jù)說達到了每秒40萬比特(這個可能是基于單光子通訊的星地傳輸，而不是地面兩個基站之間通過衛(wèi)星中介的信息傳輸)。

至于量子通訊只管張三和李四這一段，如果組成通訊網(wǎng)絡必須考慮各個站點的保密問題，這是顯而易見的，量子派肯定知道這一點，而且并不覺得這真的是個問題——只要采用經(jīng)典派現(xiàn)成的技術就可以了。量子通訊并不是只能用量子方法，量子方法只是整個信息安全體系的一個有機部分。為了系統(tǒng)的總體目標，當然是可以無所不用其極——你憑什么限制我?

但是話說回來，量子派在成功宣傳的同時，也留下了一些后患——他們的宣傳太成功了，讓很多人(包括出來反對量子派的經(jīng)典派人物)以為，量子通訊具有“絕對安全性”、甚至能夠包打一切，結果量子派給自己挖了一個坑，一個很深很大的坑。

孰吉孰兇？孰去孰從？

說到這里，不免想戲謔一下經(jīng)典派和量子派。上次我們提到：因為出來唱反調(diào)的經(jīng)典派犯了一些非常簡單的錯誤，還試圖推翻量子力學的基礎，簡直不忍直視，看上去就跟量子派的“托兒”似的——好像就是為了制造有爭議的假象，讓人們的注意力集中在量子派的優(yōu)勢方面。不過“經(jīng)典派”可能也棋高一著呢，他們一直沒有大人物出來站臺，也許是因為大人物早就看清形勢了：你們量子派鬧得再兇，也不可能包打天下，將來還是要用經(jīng)典方法和經(jīng)典網(wǎng)絡。

我覺得，量子通訊爭議這件事有些像談戀愛。天天到公主窗前送鮮花、唱情歌的，并不一定能抱得美人歸。就算你歌唱得再好、海豚音飚得再高，也只能贏得吃瓜群眾的喝彩，而真正的白馬王子可能早就登門入室、與公主共進燭光晚餐了——人家才不會出來和你賽歌呢，最多給你個神秘的微笑。

量子派也許只是個飆海豚音的，人家經(jīng)典派才是真正入洞房的!

簡而言之，量子派既有優(yōu)點，也有缺點。量子派最大的優(yōu)點是宣傳搞得好，成功地將人們的注意力集中在他最擅長的方面——發(fā)現(xiàn)偷聽者。量子派最大的缺點是宣傳搞得太好了，成功地讓許多人以為，量子通訊具有“絕對安全性”、甚至能夠包打一切，給自己挖了一個坑，一個很深很大的坑。

上次說過，現(xiàn)在關于量子通訊的爭議雖然很熱鬧，但怎么看都像雞同鴨講，讓人看了著急!現(xiàn)在我們看到，經(jīng)典派有經(jīng)典派的誤區(qū)，量子派有量子派的罩門，那么，量子通訊爭議將來會怎么發(fā)展，也就顯而易見了。

量子通訊爭議：將來會怎么樣?

兵者，詭道也。故能而示之不能，用而示之不用，近而示之遠，遠而示之近。

談論未來總是危險的——因為誰也不是神漢轉世。我也只能就幾個問題談談自己的看法。

量子通訊網(wǎng)絡的成本

先簡單估計一下量子通訊網(wǎng)絡的成本。估計數(shù)量級是學物理的基本功，估計值與實際值差個三五倍很正常，但如果拿去討論工程造價，肯定是笑話了——權當娛樂好了。

量子通訊的基礎是量子不可克隆定理，而這個定理反過來又限制了光子的完美復制，所以我覺得，量子中繼器是造不出來的(再次強調(diào)，這是個人觀點，我也不認可基于“量子芝諾效應”之類的量子中繼器)，這就限制了量子通訊單次傳輸?shù)淖畲缶嚯x：基于光纖的量子通訊大約是100千米，基于衛(wèi)星的量子通訊大約是1000千米。

我國的陸地面積是1000萬平方千米，那么覆蓋全境的光纖網(wǎng)絡需要1000個基站，總計長度20萬千米的光纖，假設一個基站造價100萬人民幣，一千米光纖1萬，大概要30億。考慮到現(xiàn)在的光纜里面都是幾百根也許更多的光纖，一次還可以鋪設不止一條光纜，而量子通訊只不過用一根光纖，以后還有同時使用幾個不同波長的可能性，所以鋪設光纖網(wǎng)絡的真實成本可能還要低。建造基站的價格也許會高一些，還沒有考慮安保的要求(畢竟是“可信中繼”嘛)。好了，30億，數(shù)量級是不會錯的，但是不可能給出更精確的價格了——上下差個3倍很正常。對于這樣的網(wǎng)絡，相鄰兩個基站之間的量子信息傳送速率大概是100兆每秒。

基于衛(wèi)星的量子網(wǎng)絡，估計起來就更困難了。衛(wèi)星的發(fā)射成本是個謎，而相鄰地面站的距離若為1000千米的話，只需要建10個，其實每個省建個天文觀測臺就可以了，而量子通訊只需要用一個天文望遠鏡而已(直徑大概是1米)。這些成本也很難估計，我猜是100億吧(包括5~10顆衛(wèi)星?)，應該也不會差出3倍的。因為衛(wèi)星和地面的通訊是串行操作，一次只能聯(lián)系一個基站，衛(wèi)星2小時轉一圈，每個基站頂上停留大約5分鐘，現(xiàn)在的最大傳遞速率是40萬比特每秒(我覺得已經(jīng)到極限了)，那么平均下來的傳輸速率不過是2萬比特每秒(如果說白天或者霧霾天氣還會更低)。

好了，拍出200個億(考慮了人工成本)，你就可以得到兩個量子通訊網(wǎng)絡，一個光纖的，一個衛(wèi)星的。干不干?我們普通人肯定沒有這個錢，但是政府只要愿意，還是掏得起的：只是幾十千米高鐵的造價嘛。當然，這個量子通訊網(wǎng)絡只是個混合網(wǎng)絡，量子通訊(也就是那個量子密鑰傳輸)只是其中的一部分，需要控制的范圍縮減為1000個基站(保持其“可信性”)，值不值?我們普通人肯定也不知道，還是要政府拍板。

量子通訊的安全問題

接著談談量子通訊網(wǎng)絡的安全問題。最終的量子通訊網(wǎng)絡(如果真建成的話)一定是混合網(wǎng)絡，相鄰基站之間用量子通訊檢測偷聽者，基站內(nèi)部的管理和整個網(wǎng)絡的協(xié)調(diào)肯定還是離不開經(jīng)典方法。保密是目標，為了這個目標當然是不擇手段，絕不會區(qū)分什么量子還是經(jīng)典，哪個好用就用哪個。

檢查這個網(wǎng)絡的安全性，也是個龐大的系統(tǒng)工程，成本也是個人無法估算的——安全性的價值等于被保密信息的總價值。這種保密網(wǎng)絡的安全性檢查，肯定是要政府指導、各部門協(xié)調(diào)、團結一切可以團結的力量，大家齊心協(xié)力才有可能進行的，肯定不會單純?yōu)榱肆孔优珊徒?jīng)典派的爭論就來一次的。從這個意義上講，前一陣國盾公司提出的“打擂臺”方法簡直就是搞笑了。我不能破譯你的密碼，當然不會來獻丑，即使我能夠破譯你的密碼，顯然也有更來錢的方式——即使有人知道破譯方法這件事本身的價錢就絕對不止100萬。舉個例子：在二戰(zhàn)時期，圖靈破譯了德國的密碼系統(tǒng)，丘吉爾知道德國將轟炸考文垂，但是決定不做任何特殊的準備，以防止希特勒可能猜到其密碼被破譯了。僅僅為了不讓敵人知道自己能夠破譯密碼，就不惜犧牲一個城市——還可能犧牲更多的。

量子通訊的未來

既然最終的網(wǎng)絡是混合網(wǎng)絡，就有誰來主導的問題。從量子派的角度說，如果在可預見的未來，真的搞出來能夠破譯RSA密碼的量子計算機，雖然經(jīng)典派還可以說，我只要簡單加倍密碼長度就可以了，但這肯定是量子派的巨大勝利：“看看，我跟你說過的!”這應該是最樂觀的情況了，但是量子計算機的未來很有可能是很長的30年：再過30年，我就跟你說，只要再過30年，我就可以跟你說……(編者注：關于量子計算機，建議查閱文末“相關閱讀”4和5。)

如果真的搞不出來量子計算機，就有些麻煩了。量子派和經(jīng)典派的結合來自于使用者的要求，使用者偏向于哪一邊，哪一邊的力量肯定就大。如果沒有這個外部的強制要求，量子派就很難了：轉向?人家早就覺得你是雞肋了，不一定想要。主導?這個難度太大了，人家可能說你什么都有了，最后還得我干活?

最后再來一個設想。

量子通訊的賣點是能夠發(fā)現(xiàn)偷聽者，或者說保證沒有偷聽者。在光纖系統(tǒng)里，除非利用量子通訊方法，這是很難做到的;但是在基于衛(wèi)星的星地通訊或者星星通訊中，有個顯然的方法可以做到：不管是發(fā)射者還是接受者，都是一個大家伙(尺寸是米的量級)，這么大的家伙是無法隱形的——NASA能夠監(jiān)視太空軌道上所有尺寸在厘米以上的物體，中國肯定也能做到，在基站附近放個1米大小的望遠鏡更是不可能逃脫監(jiān)控的。張三和李四的連線上，有沒有站個王麻子?這個問題簡直就是和尚腦袋上的虱子——明擺著的呀。

如果確實是這樣，量子派就有個顯而易見的脫身法：只要提高信號光的強度，就可以大幅度提高信息傳送速率——不搞基于單光子的量子通訊了，我們搞的是大范圍的自由空間光互聯(lián)，衛(wèi)星間對準和星地對準都是已經(jīng)解決了的問題，弱光發(fā)射和探測更是我們的拿手絕技。一個基于衛(wèi)星的自由空間光互聯(lián)系統(tǒng)就誕生了!

所以說，未來雖然不可預料，但只要準備充分，未來還是美好的。

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