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袁岚峰:这些否定量子通信的说法,为什么是错的?
关键字: 墨子号量子实验卫星量子通讯量子密钥分配量子通信骗局量子通信研究者经常干的事,就是寻找各种可能的漏洞,以及寻找各种堵漏洞的办法。找到并堵上的漏洞越多,这个学科的进步就越大。例如现在最常用的实验方案叫做“诱骗态协议”,相当于BB84协议的一个升级版,有效地克制了光子数分离攻击,把安全距离从不到20公里提高到了超过200公里。值得自豪的是,清华大学的王向斌教授和马雄峰教授属于最早提出诱骗态协议的几个人中的两个。BB84协议、B92协议、E91协议中没有中国科学家的贡献,而诱骗态协议中就有中国科学家的重要贡献,这说明我们虽然起步晚,但迅速走到了国际前沿。中国人的智慧和志气,就应该表现在这种事情上!
有人建议量子通信实验设置“蓝军”,引进窃听者。殊不知这个学科从一开始就是这么做的,这个建议是把研究者想得太天真了。别忘了这帮人是干什么的!可以说,一般人能想到的攻击手段,研究者早就想到了。研究者想到的攻击手段,一般人却可能听都没听说过。
例如,近年来量子通信的一个热点研究领域是,发现实际体系中大部分漏洞来自于测量仪器,所以发明了安全性与测量仪器无关的量子密钥分发技术。这个新技术是潘建伟团队率先实现的,被评为2013年全球物理学十大进展和2014年中国十大科技进展之一。一个具体的例子是,有人提出,用强激光照射接收器可以将其“致盲”,然后就可以控制它欺骗通信者。连这样的攻击手段,潘建伟团队都给出了解决方法。这样深邃的攻防,非专家能想象到吗?好比两大高手在用降龙十八掌对战蛤蟆功,你却问他们能不能防住黑虎偷心,岂不可笑?
在实践层面,量子通信为2009年国庆大阅兵、2012年党的十八大等国家重大活动提供了保密通信服务。在北京、济南、合肥、芜湖、上海等地开通了量子政务网,近期打算建成的世界第一条量子通信保密干线“京沪干线”就是把这些城市节点连接起来,长度达2000多公里。中国工商银行、北京农商银行等金融单位已经开始试用量子通信设备。
总而言之,量子通信的安全性究竟怎么样?在原理层面,可以绝对保密。在实用层面,由于各种不完美,会有种种攻击手段,也有种种防护手段,最终结果是只在一定的条件下保密,而这些条件在不断放宽。这是个活跃的研究领域。如果以为量子通信已经一劳永逸地解决了保密问题,那是错误的。但如果以为量子通信一点用都没有,那就错得更离谱了。
七、量子卫星是干什么的?
为什么要发颗卫星上去呢?是为了开创一条新的技术路线。迄今为止的量子通信实验都是在地面上、光缆中进行的,而光缆中的安全传输距离只到200公里。要传得更远就需要中继器,而中继器的可信度又是个问题。在地面上要多少个中继器,才能从中国传输到欧洲呢?与其这样,不如换个思路,让卫星跟中国和欧洲分别进行量子通信。这就绕开了地球曲率的影响,一颗卫星就能覆盖非常广大的区域。将来建成20颗卫星的星座,就可以覆盖全球。
卫星量子通信示意图
卫星和地面通信,只需要考虑光子在大气层中的损耗就行了,因为在真空中基本没有损耗。在某些波段,光子穿过10公里厚的大气层只损耗20%,所以星地通信在技术上应该是可行的。
星地通信的一大挑战,是卫星跟地面处于高速的相对运动之中,把双方的探测器对准,好比“针尖对麦芒”,相当于在五十公里以外把一枚一角硬币扔进一列全速行驶的高铁上的一个矿泉水瓶里,需要非常高的控制精度。不过说到底,这比引力波探测的要求还是低多了,引力波都能探测到,星地对准肯定也是能实现的。8月28日,墨子号量子卫星发出绿色信标光,兴隆地面站发出红色信标光,双方进行了对准试验。经过10秒的曝光,形成了红绿交汇一条线的壮观景象。信标光不是用来做通信的,只是对准,通信用的单光子也不可能看到。通信的实验,将在接下来的几个月间进行。
兴隆站星地对准试验(感谢拍摄者韩越扬授权使用)
除了量子密钥分发的实验外,在两年的设计寿命内,墨子号还将进行其他实验,如量子隐形传态、量子纠缠分发。说起来都是量子科学实验,科学内容还是不同的。而由于量子密钥分发是其中相对容易的一个,所以可能会放在最后做,抓紧时间先做难度高的。因此,如果过一段时间看到其他实验的结果先出来了,请不要吆喝起哄:“怎么不做量子通信?假货!”
八、量子通信怕干扰,所以没用?
下面我们来分析常见的几种否定量子通信的说法。首先是一种技术性质疑,典型代表如上海大学理学院曹正军副教授的文章《量子通讯是否真的无懈可击?》。他认为:
这种看似无懈可击的通信方式,实际上是以牺牲信号稳定性为代价的,一旦存在敌方的任何形式的入侵行为,不管是窃听、复制还是干扰,量子通信都将无法实现,而传统的密码体系,都是假设敌方可以获取信息,但是从计算复杂性上让敌方无法破解。
“如果敌手消失了,那么任何密码技术都是多余的。”在他看来,从这个意义上说,量子通信可以说是只要有敌方存在就办不了事,而这样的系统,最终也只能沦为摆设。
……通讯的首要目的是稳定性,即接收方能够正确地恢复出发送方发送的信号。
相对而言,讨论这个问题是值得欢迎的。跟下面举的各种不入流的否定相比,这是层次最高的一种,因为谈的是科学问题,这已经很不错了。
当有人窃听时,量子通信确实会终止。但是,这种终止是好事还是坏事?正常的价值判断,应该是好事!因为保证了没有泄密,这正是研究保密通信的目的。“通讯的首要目的是稳定性”,这个观点我们是不同意的。如果稳定和保密能够同时实现,那当然是最好的。但如果不可得兼,你选择哪个?曹正军的意思是,选择稳定。那就是说,根本不在乎泄密。既然如此,你还研究什么保密通信呢?
量子通信实际的意义,不是强制人们一定要用它,而是给人们增加了一个选择。日常生活中确实有许多通信是不在乎保密的,那么用传统通信就好了。但谁也不能否认,有些情况下保密的需求压倒一切,如军事指挥、金融数据。二战当中,盟军破译了德国、日本的密码,给轴心国造成了巨大的打击,山本五十六就是因为行程泄露被击毙的。保密需求压倒一切的时候,如果你有量子通信,你觉得该不该用?
质疑人士会说啦:我可以一直窃听,让你传不出去!
呐,在这里就表现出传统通信和量子通信一个本质性的区别了。你之所以觉得窃听可以一直进行,是因为延续了传统通信的思维习惯,但对量子通信情况就大有不同了。传统通信中,通信方无法知道是否有人在窃听。可是量子通信中,窃听必然会被通信方发现,这是一个巨大的优势。难道通信方就傻乎乎地坐着,不去利用这个优势吗?正常的办法,应该是派出警察、军队去抓间谍。实际上,量子通信能够知道窃听发生的时间,乘以光速就给出了位置,所以真要抓的话,一抓一个准。
因此,对敌方来说,干扰量子通信成了风险极高收益极低的事。花很高的成本培养一个间谍,偷不到信息,只能阻断一次通信然后就暴露,这样做值得吗?如果真有个间谍可用,随便干点什么,破坏不比这个大?真是连自杀式攻击都不如。
用一位朋友的比喻说,传统的保密好比给自行车加锁,量子通信好比在自行车旁边放了个摄像头,有小偷过来就会看见。单纯“会被看见”这一点,就会给小偷施加巨大的压力,许多小偷就放弃尝试了。这个比喻很形象。正如曹正军所说,保密技术总是要假定敌手存在,“如果敌手消失了,那么任何密码技术都是多余的”。但是,量子通信可以通过暴露的威慑,让敌手不敢出手,就像摄像头提高安全性一样。
如果有人一定要把“能被阻断”作为量子通信的缺点的话,那么我们必须指出:传统通信也是如此。如果敌方就是不惜一切代价要阻断你的通信,那么任何通信都会被阻断。这并不是量子通信特有的问题,而是所有通信共同的问题。刘慈欣有一部著名的小说,就叫做《全频带阻塞干扰》!
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- 责任编辑:马密坤
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