引子
如果你對量子通信非常了解,,可以忽略本文,?如果對該領域不了解,那么可以通過本文了解量子通信的一些基本知識。筆者也在網上看了很多文章,,發(fā)現(xiàn)如果是新手根本無從下手去理解量子通信,,因為大部人并不是專業(yè)領域的人,。所以筆者從一個學習者的角度,,去梳理和解釋量子通信。同時本文盡量減少采用專業(yè)術語,,使用通俗的語言和例子帶大家了解量子通信,!文章幾乎沒有復制粘貼,90%以上的文字都是基于自己的理解進行碼字,,難免有不嚴謹之處,,但不影響新手閱讀。
討論范圍
最近一直炒得很熱的就是量子通信,,可以參考下圖,,量子通信就是量子力學和信息科學結合帶來的產物。本文我們只討論量子通信,,且重點是量子密碼,。
量子定義
何為量子,?量子是攜帶能量的最小單位。就像光就是由無數(shù)光量子組成的,,比如一速陽光從太陽到達了地球,,傳遞了多少能量呢,我們就可以數(shù)數(shù)到底有多少光量子到達了地球,。光量子不能再分了,,已經是最小的攜帶能量的單位了。
為了簡化理解,,我們把量子比作一個有狀態(tài)的小球,,有什么狀態(tài)我們待會再說。
拋出觀點
1,、 常規(guī)數(shù)據(jù)通信,,包括光纖通信,信息有被竊取的風險,。
2,、 通過秘鑰對信息進行加密和解密的方案,目前雖然是主流,。但并不是絕對安全,。
3,、 靠量子糾纏不能進行常規(guī)安全數(shù)據(jù)通信,,至少當前技術上無法實現(xiàn)
4、 量子秘鑰分發(fā)技術,,可以實現(xiàn)絕對的數(shù)據(jù)安全
5,、 量子秘鑰分發(fā),理論上可以借用量子糾纏,,也可以不用,。實際應用中不會用到,量子糾纏,。
6,、 量子通信的最大安全距離不斷提升
觀點證明
一、普通光纖通信的安全問題
光纖通信是目前常規(guī)的通信方式,,幾乎所有的通信都要走光纖,。但光纖通信中的所有數(shù)據(jù),都可以很容易的被竊聽者獲取,。獲取到辦法也很簡單,。
方法一:通過分離光束法,簡單來說就是把光纖切斷,,中間接個竊聽設備,。設備只捕獲部分光,,其余大部分光都放通,通過這種手段竊取信息,。
方法二:彎曲耦合光纖的方法,。光在光纖中基于全反射的原理,光不會泄露,。但只要光纖彎曲炒股一定弧度,,那么就會有部分光射出來了,光信號就泄露了,。
二,、普通秘鑰的安全性問題
既然,光纖通信中,,數(shù)據(jù)不可能避免被竊取的風險,,那么可以引入秘鑰對數(shù)據(jù)加密。即使數(shù)據(jù)丟了,,也是密文,。比如舉個例子,發(fā)送方發(fā)了要發(fā)送,,“it is a pig”,,他采用了字母向前移動1位的方法,并且將發(fā)放告訴了接受方,,所以“it is a pig”在發(fā)送時,,被加密成了 “ju jt a qjh”。解密方使用將字母向后移動一位的方法,,將加密信息還原,。
如上表,但是這種方案有諸多問題,。 第一,,容易被猜到,在密文中反復出現(xiàn)的字母,,很容易被猜出來,,進而破解算法和秘鑰。比如 ju jt b qjh中的j出現(xiàn)較多,,很容易被裁成i,。
第二,秘鑰如何傳遞,,秘鑰的傳遞也是通過傳統(tǒng)信道,,同樣容易被盜。
信息論的創(chuàng)始人香農(Claude E . Shannon)證明了一個數(shù)學定理:密鑰如果滿足三個條件,那么通信就是“絕對安全”的,。
1)密鑰是一串隨機的字符串,;2)密鑰的長度跟明文一樣,甚至更長,;3)每傳送一次密文就更換密鑰,,即“一次一密”。
如下圖,,為了傳遞 it is a pig 這8個字母,,我的秘鑰也是8位的。下次傳輸其他數(shù)據(jù)時,,還要更換秘鑰,。
香農的定理聽起來好像已經解決了保密通信的問題,但其實沒有,。真正的難題在于,,怎么把密鑰從一方傳給另一方?
業(yè)界還有里那個外一種秘鑰加密方案,,叫RSA非對稱加密,。這種秘鑰方案可以不用傳遞秘鑰,也就排除了秘鑰在傳遞過程中的風險,。主要的思想是,,接受者傳遞公鑰,自己保留私鑰,,公鑰用于加密,,但是公鑰無法解密。也就是公鑰雖然傳輸,,但是竊密者拿到公鑰沒辦法解密,。其實RSA這種非對稱加密,,并不是沒辦法解密,,只是基于當前的計算機算力無法在短時間破解。有興趣的可以去網上了解下,,破解的過程主要難點在于如何是將一個超大的數(shù)拆成2個素數(shù)的積,。
但是RSA還是有被破解的可能,尤其是已經通過實驗在量子計算領域將破解RSA算法的算力有了指數(shù)級的降低,。
到這里,,我們知道了,我們目前使用的秘鑰方案,,都不是絕對安全的,。
三、靠量子糾纏進行安全通信的不靠譜性
我們在看看基于當前技術,有沒有一種不靠秘鑰,,靠構建一條安全通道,,或者說隱秘通道讓信息安全傳輸呢?
有人之前聽過量子的一些基本概念,,說可以靠量子糾纏來實現(xiàn),。這是最常見的對量子通信的誤解。
量子糾纏,,有人說是兩個量子鬼魅般的超距作用,,量子A伸左手,量子B就伸右手,,并且是同時發(fā)生,,不存在傳遞的時間。由于中間沒有傳輸時間和傳輸介質,,有理想的人就提出了,,這樣就可以實現(xiàn)超光速且不可被竊聽的安全通信了。對,、這只是幻想,,他違背了愛伊斯坦的相對論,信息傳遞不可能超光速,。
在這里我們還要拋出幾個觀點來佐證為什么量子糾纏不能傳遞發(fā)送者的有效信息
1) 通過量子糾纏(隱態(tài)傳輸),,連發(fā)送方都不知道自己傳遞了什么信息。
2) 量子糾纏只能在實驗室進行,,距離應用還要很遠的路要走
3)靠單量子取代現(xiàn)有通信方式,,目前也很難進入應用領域
為什么量子糾纏(隱態(tài)傳輸),連發(fā)送方都不知道傳遞了什么信息,?
啥叫糾纏,,簡單來說,就是兩個量子如果處于糾纏態(tài),,那么他們的狀態(tài)完全相反,,不管離多遠。但是糾纏態(tài)還是可以被打破,,只要有設備對其中一個量子造成了影響,,比如測量操作。但是如果不測量,,發(fā)送方自己都不知道這個量子處于什么狀態(tài),。這樣如何傳遞預設的信息?
量子糾纏只能在實驗室進行,,距離應用還要很遠的路要走
由于工程技術現(xiàn)在還達不到應用級別的量子糾纏分發(fā)能力,,所以距離應用還比較遙遠。
靠單量子取代現(xiàn)有通信方式,目前也很難進入應用領域
不用量子糾纏,,使用常規(guī)量子通信目前也很難應用,,問題主要是通信距離太短,生成量子的成碼率太低,。
四,、量子秘鑰分發(fā)技術,可以實現(xiàn)絕對的數(shù)據(jù)安全
繼續(xù)拋出幾個觀點
1) 量子秘鑰分發(fā)基于“單個量子”和“量子不可測量”兩個條件保障安全
2) 量子秘鑰分發(fā),,不使用量子糾纏
量子秘鑰分發(fā)基于“單個量子”和“量子不可測量”兩個條件保障安全
為了便于大家理解,,我們舉例說明
如上圖,假設量子是發(fā)送者從高空自由落體的一個球,,這個球的狀態(tài)信息就是下落時處于圓盤的角度,。下邊放了一些同心圓盤。圓盤在0°,、45°,、90°和135°的扇面打了孔。如果球的下落角度正對著孔,,那么通過圓盤時,,圓盤的主人就會知道球是從哪個孔下落的。
由于小球在接觸圓盤A之前,,我們無法得知其運動的線路,。當小球接觸到圓盤A時,會隨機選擇一個孔穿過A,,之后小球會一直沿著該直線下落,。比如從A的90°口穿過后,會一直穿過B的90°口,,狀態(tài)不會改變,。
球落到C盤以后,如果C盤沒有90°和0°,,那么球就會隨機(50%概率)的從45°或者135°孔穿過C盤下落,。
以上在中間設置圓盤的動作,就是測量,。只有測量了,,才知道球的運動角度。但是我們不知道球在接觸A盤之前是什么角度下來的,,可能是360°任何一個角度(延伸一下:每個角度都可以作為一個量子比特,所以量子比特很大),。通過圓盤時,,我們只有幾個孔,讓球從其中一個孔掉落,這就破壞了原來的狀態(tài),。這也叫做量子的不可測量,,雖然你測量了,但是你測量的并不精確,。
我們如何通過量子的不可測量來分發(fā)秘鑰,?我們接著舉例,同時也接近事實
如上圖,,
1,、定義兩種圓盤,即A型0°和90°,, B型(45°和135°),,
2、定義量子比特,,0°和45°代表比特位0,, 90°和135°代表比特位1
即每一組圓盤中都有兩個孔,如果通過了量子,,都能代表0或者1.
通信過程舉例:發(fā)送4個量子
1,、發(fā)送者隨機使用 ABBB 圓盤讓量子通過(ABBB是隨機選擇的)
發(fā)現(xiàn)量子的方向為90°、45°,、135°,、45°,即1010
2,、接受者隨機使用 BABB(隨機選擇) 圓盤讓量子通過即x,?°、x,?°,、135°、45°,。由于前兩個圓盤A和B用的不一致,,造成量子狀態(tài)改變,所以A和B約定圓盤不一致的測量作廢,。那怎么知道他們用的圓盤是否一致,,接受者直接使用傳統(tǒng)的通信方式(非加密)告訴發(fā)送者即可。不用擔心泄密,,因為每個圓盤都有兩個孔,,并沒有讓竊聽者知道從哪個孔下去的,代表0還是1.
3,、這樣我們知道發(fā)送者ABBB,,接受者使用BABB,,只有后兩個圓盤一致,只取后兩個數(shù),,后兩個數(shù)發(fā)送者和接受者都知道是10,,秘鑰發(fā)送完畢。
這時候,,你會說,,有人竊聽秘鑰怎么辦?
參考上圖,,看看我們是如何抓賊的,。
由于發(fā)送者和接受者,只選擇相同的圓盤通過的球角度作為有效傳輸?shù)男畔?。那么我們就要知道這些有效的比特是否被竊聽者觀測過,,即中間是否有竊聽者的圓盤。
想一下,,用概率計算就是:竊聽者有1/2概率用錯圓盤,,只要竊聽者用錯了圓盤,量子就會改變角度,,如上圖,,從90°變成45°或者135°。量子就有1/2的概率從不同于發(fā)送者的孔通過,。那么發(fā)送者和接受者收到的信息就不一致,。這個不一致也叫做誤碼。如果竊聽者使用了圓盤竊聽,,那么不一致的概率是1/2 × 1/2 = 1/4,。我們必須要保障誤碼率為0。
所以為了知道有沒有竊聽,,發(fā)送者和接受者決定公布一小段信息,,讓收發(fā)雙方核對。這是第二次公布信息,,如果公布的信息雙方有不一致的位,,那么就有人竊聽,就會終止加密傳輸,。你會問,,公布了一段信息,那不就不安全了嗎,?沒關系,,比如我們想傳遞一個128位的秘鑰,我們傳遞160位,,然后公布32位用于判斷是否有竊聽即可,。
這一套抓賊方案,,也叫做BB84協(xié)議,,是不是非常巧妙,。
既然可以通過這么巧妙的協(xié)議就可以打造絕對安全的秘鑰通信,那么為什么量子秘鑰只有近幾年才火起來,,并且只有中國做的比較好呢,?
剛才提到只有滿足單光量子以及不可測量兩個條件才能保障安全。但在應用場景中,,科學家們也很難高效的制造出單光量子,。并且在長距離傳輸過程,還會有損耗,。光量子在光纖中超過20公里可能就損耗掉了,。所以目前只能以光脈沖的形式隨機發(fā)送,有時候是單光量子,,有時候是多個光量子,。這就又給竊聽者帶來了機會。竊聽者可以在遇到單光子時攔截下來不讓通過,,在遇到多個光子時拿走一個,,讓其余的光子通過。通信雙方難以分辨光子的減少是來自竊聽還是來自信道的自然損耗,。
2003-2005年,,韓國科學家黃元瑛(Hwang W. Y.)和中國科學家王向斌、羅開廣等人想出了一種巧妙的辦法,,就是“誘騙態(tài)協(xié)議”,。這個協(xié)議比較難講明白,大致意思就是,,有些單光子和多光子是我要傳遞的信息,,有些是誘騙的信息。兩種光子損耗率不同,,竊聽者無法區(qū)別對待,,那么收發(fā)雙方就很容易得知,損失的光子是自然損耗還是有人竊取,。這個地方也可以上網去查誘騙太協(xié)議,,如果你不是絕對發(fā)燒友,就別去查了,。你只需要了解現(xiàn)實中的量子秘鑰分發(fā),,還不是絕對的單量子。
量子信息借助量子力學和信息學的種種突破,,在理論上已經比較成熟,。但需要通過實驗和實踐進行推動,,我國在應用領域目前已經走在世界前列。
五,、量子秘鑰分發(fā),,理論上可以借用量子糾纏,也可以不用,。實際應用中不會用到量子糾纏,。
這個很容易理解,我們知道了不用量子糾纏就可以實現(xiàn)秘鑰的安全分發(fā),,干嘛要用量子糾纏,?并且制造量子糾纏態(tài)的成本很高,并且很難高效,,批量的生成,。
六、量子通信的最大安全距離不斷提升
我們提到過,,光子在光纖中損耗很大,,基本20千米就是極限。每加長15千米,,損耗就會加倍,。依賴單光量子通信,很難實現(xiàn)遠距離秘鑰分發(fā),。
我們前邊還提到過,,可以基于誘騙太協(xié)議,實現(xiàn)單光子和多光子組合的方式傳輸,,這使得遠距離傳輸成為可能,。2016年8月16日,墨子號量子衛(wèi)星上天時,,光纖中的安全傳輸距離已經超過了200公里,。2016年11月,中國科學技術大學,、清華大學,、中科院上海微系統(tǒng)與信息技術研究所、濟南量子技術研究院等單位合作,,又把安全傳輸距離提高到了404公里,,而且在102公里處的安全成碼率已經足以保證安全的語音通話。也就是說,,間隔102公里的量子保密電話已經是在技術上可行的了,。
傳統(tǒng)的光纖傳輸是通過中繼的,在量子秘鑰分發(fā)的方案中同樣可以使用中繼,。
假設我們有一串節(jié)點,,記作1號,、2號、3號……,,最后是n號,。先在1號和2號之間建立量子通信,產生一個密鑰,,記作k1,。然后在2號和3號之間建立量子通信,,產生一個密鑰,,記作k2。2號把k1作為待傳輸?shù)拿魑?,用k2對它加密,,傳輸給3號。3號同樣把k1傳輸給4號,,4號把k1傳輸給5號,,……一路把k1傳輸給n號。最后1號把真正要傳輸?shù)男畔⒂胟1加密,,用任意的通信方式傳給n號,,就完成了。
京滬干線做的事情,,就是在北京,、濟南、合肥,、上海的內部量子網絡的基礎上,,通過32個中繼節(jié)點(包括兩端)把它們連接起來。這樣,,就可以在2000公里的范圍內,,實現(xiàn)量子保密通信
還有一種中繼方式就是通過衛(wèi)星。通過衛(wèi)星理論上是可以覆蓋全球的,,并且光在空中的損耗比光纖中小的多,。但是長距離讓光從地面對準衛(wèi)星發(fā)射確實很難,首先距離遠,,其次光信號很微弱,,你不能用強光,用強光意味著就是激光通信,,就不是量子通信了,。這個瞄準工作,被中國的科學家們完成了,,對,,就是用墨子號量子科學衛(wèi)星做的,。
延伸閱讀 關于量子不可精確觀測
量子加密通信主要是源于量子的不可精確測量和不可克隆。也就是說當你看到了量子的狀態(tài),,量子由于你的觀測就會改變原來的狀態(tài),。要觀察量子,你就需要感知它,,我們不能通過眼睛觀察,,因為量子已經是能量的最小單位了,他不可能想宏觀物體一樣發(fā)光,,發(fā)熱讓我們感知,。我們要感知它,同樣要使用光線(也是一堆光量子)對單個光量子進行相關影響的測量,,但測量結果是無法精確的,,并且會改變單個光量子的狀態(tài)。
舉個例子,,大家肯定聽過薛定諤的貓,,就好比箱子里有個貓,貓是死是活沒有“人”知道,,如果打開箱子,,箱子就會進入毒氣將貓毒死。如果不打開,,“人”永遠不知道貓是死是活,。
其實不可測量在經典物理中同樣適用,只不過微乎其微罷了,。比如黑暗中有個物體,,你要測量它的質量或者運動狀態(tài),我們就需要光或者紅外裝置,,甚至雷達波之類的照射物體,。但是只要照射物體就會有光子對物體產生了影響,會發(fā)生微乎其微的質量,、運動狀態(tài)的變化,。我們想一下,如果物體能量小到不能再小的時候,,任何其他能量對其測量都會造成非常大的影響,。這就是量子的不可精確觀測。
接下來的內容,,比較發(fā)散,,也沒有絕對的對錯,有選擇性的看吧。
人類認識的世界,,永遠都是建立在人們獲取到的信息的基礎上,,人類無法感知的信息不是人類世界。有人認為薛定諤貓是死是活在非人類世界已經是事實,,只是人類世界不知道,,有這種觀點的人是決定論支持者,也就是未來會發(fā)生什么都是已經注定了,,就想你現(xiàn)在正在看這篇文章,,正在質疑這種觀點一樣。還有人認為貓是死是活必須在人類世界決定,,貓是死是活是一個概率事件,,在被人類觀測到之前,這只貓是一個死和活之間的中間態(tài),,這部分人認為世界是隨機的,。
啟迪云 王立波