趙海龍

中國酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心，甘肅 酒泉 732750

孫子曰：“知彼知已，百戰(zhàn)不殆?！爆F(xiàn)代戰(zhàn)爭是信息化支配下的高科技戰(zhàn)爭，誰掌握了戰(zhàn)場信息，誰就掌握了戰(zhàn)爭主動權。密碼通信作為軍事通信中的組成部分，在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中扮演著重要角色。

在第二次世界大戰(zhàn)期間，德軍啟用了一種新型的密碼機——恩尼格碼機，它可以產生8萬億個不重復的密碼字母，被德軍稱為牢不可破的密碼機。為了破解德軍的密碼系統(tǒng)，英國組織了一批數(shù)學家、工程師和一萬多名志愿者從事破譯工作。這些人中，包括了后來在計算機界享有盛名的艾倫?麥席森?圖靈(Alan Mathison Turing)。在破譯德軍密碼的過程中，圖靈根據(jù)他天才的設想，先后研制出兩代譯碼機，第一代大部分由繼電器組成，第二代則全部由電子管組成，包括1 500多個電子管。第一代譯碼機在保衛(wèi)倫敦的空戰(zhàn)中使英國空軍占得先機，令德國轟炸機損失慘重。第二代譯碼機被稱為“巨人”，先后破譯了48 000多份機密文件，平均每小時破譯超過11份機密情報。在德軍發(fā)動的“海狼”行動中，英軍一舉擊沉德軍600多艘艦艇。在諾曼底登陸等一系列戰(zhàn)役中，“巨人”破譯的情報為戰(zhàn)爭提供了重要支持，甚至有人認為，“巨人”的參戰(zhàn)改變了戰(zhàn)爭進程?？梢哉f，圖靈研制的“巨人”譯碼機就是現(xiàn)代意義上的計算機。然而由于保密等原因，直到20世紀70年代，英國政府解密了相關檔案后，圖靈的工作才為世人所知。導致世界首臺計算機這一殊榮被美國賓夕法尼亞大學1946年研制的“ENIAC”獲得，“ENIAC”其實比圖靈的“巨人”機晚了兩年。為了紀念圖靈對計算機技術發(fā)展所做的貢獻，美國計算機協(xié)會于1966年設立了“圖靈獎”，每年頒發(fā)一次，每次一般只授予一名科學家，目前的獎金是100萬美元，被稱為“計算機界的諾貝爾獎”。中國學者姚期智曾獲得2000年的 “圖靈獎”。

同樣是在第二次世界大戰(zhàn)期間，由于美軍識破了日本海軍的作戰(zhàn)計劃，導致日軍在中途島海戰(zhàn)中慘敗。為了鼓舞士氣，山本五十六決定到前線去慰問部隊。這一電報被國民黨的機要人員池步洲截獲并且破譯出了到達、離埠時間和相關地點等重要信息。這份電報經(jīng)由蔣介石轉交羅斯福后，美軍制訂了詳細的伏擊計劃，派出了由16架戰(zhàn)斗機組成的一個飛行中隊，在山本將要到達的一座島嶼上空等待。美機到達后不到一分鐘，山本的飛機準時到達，在30 s內被打成了篩子，座機掉下去后掛在樹上，直到第二天才被日軍找到。這位因策劃和發(fā)動珍珠港戰(zhàn)役而一戰(zhàn)成名的一代梟雄就此喪命。

1 經(jīng)典加密技術

由上所述，我們看到密碼通信在戰(zhàn)爭中的重要性。那么，加密技術是如何實現(xiàn)的呢？最基本的方法有兩種：一種是換位加密法，一種是替換加密法。換位加密法就是依照某種特定的規(guī)則重新排列明文，即打亂明文字母原來的順序。例如：明文為

“A BIRD CAN FLY”

此明文經(jīng)過簡單的換位后，得到密文為

“YLF NAC DRIB A”

替換加密法是用其他的字母或符號去代替明文中相應字母。先要按照一定的規(guī)則，創(chuàng)建一個密碼表，在發(fā)送時，把每個字母用相應的字母或符號代替，即得到密文。歷史上著名的凱撒密碼就是把每個字母用它后面的第3個字母代替得到。例如：A用D代替，B用E代替，X用A代替等。

目前現(xiàn)代加密算法有兩種：對稱加密算法和非對稱加密算法。對稱加密算法是指加密和解密使用同一個密鑰，它的特點是算法公開、計算量小、加密速度快。常見的對稱加密算法有DES/3DES、RC2/RC4和Blowfish等。DES是出現(xiàn)最早的對稱加密算法，加密位數(shù)為56位，廣泛用于IC卡、銀行卡、POS機等加密要求較低的場合。其加密方法是把明文分成兩塊，使用子密鑰對其中一半進行循環(huán)操作，然后將結果與另一半進行異或運算。接著交換這兩半，繼續(xù)執(zhí)行以上過程，共進行16輪操作，使用異或、置換、代換和移位4種運算。目前最先進的對稱加密算法是美國2001年公布的先進加密標準AES，最高可加密256位，以目前計算機的速度，采用窮舉法破解需要幾十億年。對稱加密算法在安全性上的缺點是雙方使用相同的密鑰，假如有一位機要人員調離，則密碼要重新更換一遍。正如一個辦公室的人員調離，為了安全起見，辦公室的鎖和其他所有人的鑰匙都要重新?lián)Q一遍一樣。

非對稱加密算法則克服了對稱加密算法在安全性上的不足，它使用兩把不同但完全匹配的鑰匙，稱為公鑰和私鑰。公鑰是公開的，任何人都知道，私鑰則只有自己知道。A要給B發(fā)送信息時，A用B的公鑰加密信息，因為A知道B的公鑰。B收到這個信息后，用自己的私鑰解密信息。其他收到報文的人都無法解密信息，因為只有B才有私鑰。常見的非對稱加密算法有RSA、Diffi-Hellman等，其中公鑰和私鑰的產生最常用的方法是大數(shù)的因式分解，即要把一個很大的數(shù)分解為兩個因子的乘積，在數(shù)學上沒有好的算法，只能采用窮舉法。這種算法很耗費時間，對于一個很大的數(shù)來說，分解運算需要數(shù)十億年，所以RSA是目前應用最廣、最安全的非對稱加密方法。非對稱加密思想的提出是一個非凡的創(chuàng)舉，因為它解決了網(wǎng)絡應用中的安全性問題。今天我們之所以能在網(wǎng)絡上安全地進行淘寶購物、買火車票、銀行轉帳、發(fā)送郵件等一系列操作，RSA等非對稱加密算法功不可沒。因此，非對稱加密算法的最早提出者Diffi和Hellman獲得了2016年的“圖靈獎”。

非對稱加密算法的缺點是加密速度慢，尤其是密鑰位數(shù)多的情況下更是如此。在實際應用中，兩種加密方法要配合使用，以達到既快速又安全的目的。例如：郵箱帳號和登陸密碼可以采用非對稱加密算法，而郵件內容則使用對稱加密算法。

密鑰的破解方法有兩種：一種是窮盡搜索法，這種方法對于密碼位數(shù)很多的情況，基本上無法破解；另一種是密碼分析方法，包括惟密文破解、選定明文的破譯、已知明文的破譯和選擇密文攻擊等方法，每種方法實施起來都有局限性，這里不詳述。

2 量子加密技術

加密和解密是一對矛和盾。無論加密技術多么先進，在原理上總存在著漏洞，給破譯者留下一定的操作空間。那么有沒有一種加密方法能夠實現(xiàn)原理上的無漏洞，使得破譯者無法解密呢？數(shù)學家們經(jīng)過論證，提出只有“一次一密”的方法才能確保無法破譯。然而正所謂知易行難，只有在量子通信技術發(fā)展起來以后，“一次一密”的方法才得以實現(xiàn)，量子通信也正是靠“一次一密”的絕技才得到了絕對安全可靠的通信保障。

量子通信有兩種方案。一種是直接通信方案，常見的如“乒乓協(xié)議”等，是采用量子通信手段直接傳送信息。這種方案也叫量子隱形傳態(tài)，是將甲地的某一粒子的未知量子態(tài)，瞬間轉移給乙地的另一個粒子。但量子隱形傳態(tài)目前處于實驗室階段，在實際的量子通信中尚未有成功實現(xiàn)的報道。另一種應用最廣、發(fā)展勢頭正猛的是間接通信方案，也稱為量子密鑰分發(fā)方案。它有兩個信道：一個是經(jīng)典信道，使用普通的有線或無線方法發(fā)送密文；另一個是量子信道，專門用于產生密鑰。每發(fā)送一次信息，通信雙方都要重新生成新的密鑰，即每次加密的密鑰都不一樣，實現(xiàn)了報文發(fā)送的“一次一密”，并且在密鑰發(fā)送的過程中還可以檢測有無偵聽者，所以它可以在原理上實現(xiàn)絕對安全可靠的通信。目前所謂的量子通信一般采用的是通過量子信道分發(fā)密鑰的方案，其示意圖如圖1所示。

通過量子信道分發(fā)密鑰的想法最早是Bennett和Brassard于1984年在IEEE的一次國際會議上提出的，故稱為BB84協(xié)議，并于1992年由IBM公司首次實現(xiàn)。作為量子密鑰的載體——單光子，在自由空間傳輸了32 cm，傳輸速率為10 bit/s。量子通信包括兩方面的工作：一是硬件設備，用于產生、傳送和檢測單光子序列；二是通信協(xié)議，目前最常用的是BB84協(xié)議及其改進型。圖2是Bennett的第一個量子密鑰分發(fā)實驗示意圖。

圖1 量子通信過程示意圖

圖2 量子密鑰分發(fā)實驗示意圖

圖2中發(fā)光二極管產生的激光脈沖經(jīng)過聚焦透鏡L后，垂直入射到濾光片F(xiàn)上，脈沖中的絕大部分光子被反射或吸收，理想情況是只有一個光子通過濾光片。但實際難以做到，一般經(jīng)過濾光片后，要達到0.1個光子/脈沖的水平，即每產生10個脈沖，只有一個光子通過。然而即使是這樣，由于量子起伏，在偶然情況下，也會出現(xiàn)一次有兩個或多個光子通過濾光片的情形，這就給竊聽者留下光子數(shù)分離攻擊的漏洞。為了補救這一漏洞，在BB84協(xié)議的基礎上，人們又提出了基于誘騙態(tài)的量子密鑰分發(fā)方案。

單光子經(jīng)過偏振片Q后，變?yōu)樗?垂直偏振或+45o/-45o偏振(取決于每次隨機選擇的偏振片Q的偏振方向)，即發(fā)送的光子每次等概率地處于水平偏振、垂直偏振、+45o偏振和-45o偏振4種狀態(tài)之一。P1、P2、P3是光電調制器，用于對單光子序列進行編碼計數(shù)。在接收端，Bob使用檢偏棱鏡W對光子進行檢測，以確定光子的偏振狀態(tài)。Bob每次隨機地選用水平/垂直偏振基或斜偏振基進行檢測，每次可以檢測到相互正交的兩個偏振狀態(tài)，如圖2中的D1和D2所示。

下面我們對照表1說明BB84協(xié)議的具體內容。為了簡化，表中列出了8次單光子發(fā)送和接收情況。

表1 BB84通信協(xié)議

在第1次發(fā)送時，A選用的偏振片(圖2中的Q)為+45o偏振。在接收端，B采用水平/垂直偏振方案進行檢測。然而可惜的是由于線路損耗，這個光子沒有到達B。接著進行第2次發(fā)送/接收。這次A檢測的結果為-45o偏振，B采用斜偏振檢測方案，這次光子成功地到達B，B檢測的結果當然是-45o偏振。第3次A發(fā)送的光子是水平偏振，B采用斜偏振檢測方案。這次的情況比較有意思，因為發(fā)送方和接收方的檢測方案不一致。那么根據(jù)量子態(tài)的疊加原理，或者直接應用光學中的馬呂斯定律，檢測后的光子有一半概率處于+45o偏振，有一半概率處于-45o偏振，這是因為一個線偏振可以認為由兩個相互正交的線偏振合成。當測量時，光子偏振坍縮到這兩個正交方向的概率相同。這次檢測的結果是光子處于+45o偏振。第4次發(fā)送的光子仍是水平線偏振，B采用水平/垂直偏振方案進行檢測，得到的結果當然是水平線偏振。后4次的檢測情況類似。本次通信過程完畢。

然后B采用經(jīng)典的方法(如打電話或發(fā)送郵件)告知A他每次采用的檢測基(即每次采用的是水平/垂直偏振方案還是斜偏振方案)。A告訴他哪幾次選對了。在表1的情況，即第2、4、6、7次雙方發(fā)送和接收的檢測基一致。雙方舍棄掉檢測基不一致的事例(第3和第5次)，然后按照事先的約定，光子處于水平偏振或+45o偏振態(tài)為“1”，處于垂直或-45o偏振態(tài)為“0”，這樣，本次通信得到的原始密鑰為“0110”。

得到原始密鑰后，通信雙方還要進行糾錯控制和保密放大，并截取原始密鑰的一部分作為最終的通信密鑰。這些都屬于經(jīng)典通信的內容，量子通信的核心內容主要體現(xiàn)在圖2的通信設備和表1的通信協(xié)議上。可以看到，密鑰在產生前，連發(fā)送者都不知道是什么。

假設在雙方通信的過程中，有竊聽者(圖1中的Eve)存在。他要獲取密鑰，只能是在量子信道(一般為光纖或大氣)中插入和接收端B類似的檢測裝置，每次先于B檢測，然后再把光子轉發(fā)給B。這時，量子力學中的一個原理——量子態(tài)非克隆原理開始起作用了。這個原理是說，一個微觀粒子的量子態(tài)是不能復制的。要想復制，就必須對量子態(tài)進行檢測，而一旦進行檢測，就破壞了量子原來的狀態(tài)，得到的就不是原來的量子態(tài)。這是因為微觀粒子的狀態(tài)(如能級、相位、自旋、偏振等)很容易受外界環(huán)境的影響，外界環(huán)境的微小改變，就會使粒子的量子態(tài)發(fā)生改變。應用到量子通信場合，假如Eve不知道光子的偏振狀態(tài)，那么他每次只有一半的概率猜對光子發(fā)送時的偏振狀態(tài)。在接收端，B每次選對檢測基的概率也只有一半。這樣，在有竊聽者存在的情況下，密鑰的誤碼率將上升。這樣通過檢測誤碼率，通信雙方就知道有無竊聽者存在。

除了BB84協(xié)議外，常用的量子通信協(xié)議還有E91、B92等。E91采用一對關聯(lián)光子(稱為糾纏光子對，兩個光子的狀態(tài)完全相同，如同一對孿生子一樣)，分別用于發(fā)送方檢測和接收方檢測。這樣假如不考慮線路損耗的話，E91的通信效率是100 %，而BB84只有50 %。這是因為單光子入射到偏振片Q時，有一半的概率能通過，有一半的概率被反射。采用E91協(xié)議時，不管入射到偏振片Q的光子是通過還是反射，另一個發(fā)送給B的孿生光子總能到達接收端。B92協(xié)議是BB84協(xié)議的簡化版，每次只使用水平/垂直偏振或+45o/-45o偏振中的一個偏振狀態(tài)，如每次只使用水平偏振和+45o偏振，這樣發(fā)送的光子偏振狀態(tài)只有兩種，而在接收端的檢測方案不變。B92協(xié)議簡化了發(fā)送方的檢測裝置，但通信效率也相應降低，只有25%。這是因為B要唯一地確定A的發(fā)送狀態(tài)，要拋棄掉檢測基一致的事例。只有檢測基不一致中的一半事例才能作為原始密鑰。

量子通信之所以安全可靠，一是它采用了“一次一密”技術，使破譯者無從下手，二是它獨特的防偵聽技術，一旦有竊聽者存在，就會被發(fā)現(xiàn)。這里的關鍵是應用了量子態(tài)非克隆原理，所以單光子的制備對于量子通信過程非常重要。假如一次有兩個光子，竊聽者就可以采用簡單的分束器，把兩個光子分開，檢測一個并把另一個原封不動地轉發(fā)給B，從而不被發(fā)現(xiàn)。

另外，量子通信技術的局限性主要表現(xiàn)在以下方面：

(1)量子通信采用點對點的方式，限制了其靈活性和機動性。若采用星地通信，則只有當衛(wèi)星經(jīng)過接收者頭頂上方時才能進行。這也決定了量子通信不適合用于情況瞬息萬變的戰(zhàn)場通信，只適合用于線路固定的軍事指揮通信。

(2)量子通信采用的單光子傳輸方式，對使用環(huán)境有較高要求。如果是在自由空間傳輸，只能在晴朗無霧的夜晚進行通信，以避免背景光源和塵埃對單光子的影響。

(3)單光子傳輸方式?jīng)Q定了很難實現(xiàn)遠距離高速的量子密鑰分發(fā)。目前的單光子通信距離在光纖中雖然達到了100 km甚至更遠距離，但光子的損耗很大，導致成碼率很低。如果要提高成碼率，必須降低光子在光纖中一次性傳輸?shù)木嚯x。

3 量子通信技術發(fā)展現(xiàn)狀

量子通信技術自從1992年第一個量子密鑰分發(fā)實驗成功以來，在國內外都得到了迅猛發(fā)展。為了解國外的發(fā)展歷程，下面列出國外的幾個量子通信實驗：

(1)1993年，英國國防部研究局實現(xiàn)了在光纖中利用BB84協(xié)議進行了10 km距離上的量子密鑰分發(fā)。

(2)2000年，美國阿拉莫斯國家實驗室實現(xiàn)了1.6 km自由空間的量子密鑰分發(fā)。

(3)2002年，瑞士日內瓦大學的Gisin小組在67 km的光纖上演示了量子密鑰分發(fā)。

(4)2004年，日本NEC公司在光纖上量子密鑰分發(fā)距離達到了150 km。

(5)2006年，德國、奧地利、意大利、英國的4所大學在兩個海島之間進行了夜晚144 km的自由空間量子密鑰分發(fā)實驗。

(6)2008年，歐盟在維也納開通了有8個用戶的量子網(wǎng)絡。

(7)2008年，意大利和奧地利的科學家首次識別出從1 500 km高的衛(wèi)星上反射回地球的單批光子，從而為星地量子通信打下了基礎。

(8)歐盟計劃于2017年發(fā)射量子通信衛(wèi)星，實現(xiàn)星地量子通信。

在國內，量子通信以中國科技大學的潘建偉和郭光燦兩個研究小組為主，他們的研究成果經(jīng)常發(fā)表于《Nature》等重要國際刊物?？梢哉f，中國的量子通信水平已居世界前列。以下是中國學者在量子通信領域的主要發(fā)展歷程：

(1)1995年，中國科學院物理所首次用BB84協(xié)議完成了演示實驗。

(2)2003年，中國科技大學在校園內鋪設了3.2 km的量子通信系統(tǒng)。

(3)2005年，郭光燦小組在北京和天津之間完成了125 km的光纖量子通信實驗。

(4)2012年，潘建偉團隊建設成功“合肥城域量子通信實驗示范網(wǎng)”。該網(wǎng)絡有46個節(jié)點，連接40組“量子電話”用戶和16組“量子視頻”用戶。

(5)2012年，中國學者在青海湖完成了百公里量級糾纏光子對的量子密鑰分發(fā)實驗。

(6)2013年，中國科學院聯(lián)合相關部門啟動了上千公里的光纖量子通信骨干網(wǎng)工程“京滬干線”項目。這一項目于2017年9月29日正式開通。

(7)2016年，中國酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心發(fā)射了全球首顆量子通信實驗衛(wèi)星，目標是實現(xiàn)北京和烏魯木齊之間的量子保密通信，并且在德令哈和麗江之間實現(xiàn)了距離1 200 km的大尺度量子非定域性檢驗，還在衛(wèi)星和阿里之間實現(xiàn)了星地量子隱形傳態(tài)。該衛(wèi)星質量約640 kg，運行在高度為500 km的軌道上。衛(wèi)星上有4個載荷：量子密鑰通信機、量子糾纏發(fā)射機、量子糾纏源、量子試驗與控制處理機，可與地面上相距千公里量級的兩處光學站同時建立量子光路鏈接。

采用星地量子通信，可以大大擴展通信距離，但實驗的難度也很高。本次實驗的難點有兩個：一是單光子發(fā)送和接收的對準技術。單光子接收機的鏡頭直徑是很小的，要與幾百公里遠的衛(wèi)星進行對準，難度之大可想而知。二是單光子的自動跟蹤捕獲技術。在通信過程中，衛(wèi)星和地面都在運動，要在運動中始終保持對準，對實驗設備和技術提出了很大挑戰(zhàn)。只要克服了這兩個困難，其他的都不是問題，因為量子通信技術在地面上的實現(xiàn)已經(jīng)非常成熟了。

4 量子通信技術發(fā)展展望

量子通信技術發(fā)展成熟后，將廣泛地應用于軍事保密通信及政府機關、軍工企業(yè)、金融、科研院所和其他需要高保密通信的場合。量子通信未來有以下幾個發(fā)展方向：

(1)采用量子中繼技術，擴大通信距離。這方面以中國的“京滬干線”項目為代表。由于單光子在傳輸過程中損耗很大，對于遠距離傳輸，必須采用中繼技術。然而量子態(tài)的非克隆原理給量子中繼出了很大難題，因為量子態(tài)不可復制，所以量子中繼不能像普通的信號中繼一樣，把弱信號接收放大后再轉發(fā)出去。量子中繼只能是在光子到達最遠傳輸距離之前接收其信號，先存儲起來，再讀出這個信號，最后以單光子形式發(fā)送出去。量子中繼很像火炬接力，一個火炬在燃料耗盡之前點燃另一個火炬，這樣持續(xù)傳送下去，不能一次同時點燃多個火炬。量子中繼有很多方案，包括光量子方案、固態(tài)原子方案等。

(2)采用星地通信方式，實現(xiàn)遠程傳輸。采用衛(wèi)星通信后，兩地之間的量子通信更加方便快捷。在真空環(huán)境中，光子基本無損耗，損耗主要發(fā)生在距地面較低的大氣中。據(jù)測算，只要在地面大氣中能通信十幾千米，星地之間通信就沒有問題。中國學者曾經(jīng)在北京與懷柔之間成功地進行夜晚十幾千米的單光子傳輸實驗，為星地量子通信奠定了堅實的實驗基礎。

(3)建立量子通信網(wǎng)絡，實現(xiàn)多地相互通信。量子通信要想實用化，必須覆蓋多地形成網(wǎng)絡。2009年，郭光燦小組在安徽蕪湖建立了世界首個量子政務網(wǎng)，標志著中國量子保密通信正式進入應用階段。目前，國內外都建成了多個實用的量子通信網(wǎng)絡，下一步的發(fā)展是擴大節(jié)點數(shù)，擴展通信距離，形成大覆蓋面積的廣域網(wǎng)。

5 量子通信理解上的誤區(qū)

量子通信是一門新技術，對這一新生事物我們要正確理解和對待它，以下是常見的對量子通信技術理解上的誤區(qū)。

誤區(qū)一：量子通信利用了量子糾纏原理。

這是對量子通信最常見也是最大的誤區(qū)。無論是在百度百科，還是在部分網(wǎng)絡和媒體報道中，都把量子通信的安全性歸結為量子糾纏。從前面的論述中，我們看到量子通信真正利用的是量子態(tài)的非克隆原理，它的通信原理是非常簡單且易于理解的，和量子糾纏沒有一丁點關系。對量子通信技術一知半解的新聞媒體和某些別有用心的人卻非要把它和量子糾纏聯(lián)系起來，以制造轟動效應。量子糾纏是指一對孿生的微觀粒子，在相同的測量條件下，無論相距多遠，它們的測量結果總相同。用一句形象的話描述，就是“撓一個光子，另一個也會笑”。考慮到著名的不確定原理，每次量子測量的結果是不確定的，這一現(xiàn)象就令人驚奇了。量子糾纏現(xiàn)象明顯違反了狹義相對論，引起了愛因斯坦的強烈反對，稱之為“鬼怪般的作用”，由此也引發(fā)了他和玻爾兩位科學巨匠之間的世紀論戰(zhàn)，探討量子力學的形式是否完備，即是否需要引入隱變量來描述測量過程。后來的理論和實驗結果，尤其是20世紀80年代以后的幾個實驗都支持玻爾的觀點。關于量子糾纏是否真實存在，目前還存在很多爭議。

不管量子糾纏是否存在，它都與量子通信沒有關系，至多是E91協(xié)議中采用了糾纏光子對進行量子密鑰分發(fā)。此外，在某些量子中繼方案中，也采用了糾纏光子對。然而這些并不是量子通信技術的核心，我們看到，最常用的BB84協(xié)議使用的是單光子，沒有用到糾纏光子對。

誤區(qū)二：未來的安全通信只有靠量子通信。

量子通信技術的迅猛發(fā)展，使一些人認為將來的量子通信會取代傳統(tǒng)的通信，并且未來的安全通信只有靠量子通信。這種觀點也是有問題的。實際上，量子通信可以作為現(xiàn)有保密通信手段的有力補充?，F(xiàn)有的保密通信方案，無論是AES還是RSA，在未來很長一段時期內都是相對安全的。目前針對AES的攻擊都以失敗告終，而RSA的安全性則與量子計算機的發(fā)展息息相關。1994年，Shor等人提出了一種大數(shù)因子分解的量子多項式算法，引起了轟動。如果量子計算機研制成功，在其上運行該算法，就可對大數(shù)進行快速分解，從而威脅到目前的RSA密碼系統(tǒng)。

這里首先科普一下什么是量子計算機，以消除相當一部分人對于量子計算機的神秘感和誤解。量子計算機是采用并行算法的計算機，對于某些數(shù)學問題采用并行算法，比經(jīng)典算法快數(shù)十億倍。然而并不是所有的數(shù)學問題都需要采用并行算法，并且在經(jīng)典計算機上實現(xiàn)的算法在量子計算機上不一定能實現(xiàn)。實際上我們遇到的絕大多數(shù)問題都是求解隨時間變化的系統(tǒng)，如彈道計算、天氣預報、核爆炸模擬和星系演化模擬等。在這類系統(tǒng)中，前一時刻的輸出作為后一時刻的輸入，而在并行計算中，所有的數(shù)據(jù)在計算前必須一次性準備完畢。例如：已知任意兩地的距離，要求從中國的31個省會城市中尋找一條最短路線，以便不重復地走遍所有省會城市，這稱為中國的“郵遞員問題”。這類問題就可采用并行計算。在網(wǎng)絡上，經(jīng)常會看到這樣的言論，如“我和上帝之間的距離是一臺量子計算機”“如果量子計算機研制成功了，所有的算法將只有一種——窮盡搜索”，這些都屬于對量子計算機的誤解。量子計算機并不是比經(jīng)典計算機快數(shù)十億倍的計算機，只是在特定的算法上比經(jīng)典計算機快，而其他場合，它并不比經(jīng)典計算機快，并且量子計算機每次計算的結果也不相同。比如計算3×7，采用經(jīng)典計算機，每次的結果都是21。若采用量子計算機，計算100次，可能98次會得到21，還有2次會得到其他結果。這是因為量子計算機的計算元件──糾纏量子對，其坍縮結果是概率性的，不是確定性的。給定一個最優(yōu)選擇問題，對于量子計算機給出的結果，我們無法證明結果就是最優(yōu)的，只能相信它是最優(yōu)的。因為要證明就必須采用窮舉法，然而即使是量子計算機，也無法進行窮舉計算。它只能在一大堆輸入條件的約束下，參與計算的量子態(tài)坍縮到相應的狀態(tài)，然后由此狀態(tài)推演出最優(yōu)值。

要研制一臺實用的量子計算機，需要的量子位至少在1 000～5 000區(qū)間內。目前一般較為安全的網(wǎng)站采用的公鑰長度都在20 148位以上。然而對于量子計算機來說，進步年年有，突破卻始終不大。目前實現(xiàn)最多的量子位是十幾位，距離量子計算機的實用化還遙遙無期。即使是采用量子Shor算法實現(xiàn)了如15=3×5因式分解這樣小的進步，都足以登上《Nature》和《Physical Review Letters》的版面，由此可知目前量子計算機的研制水平。這是因為量子計算機的研制遇上了原理性難題，就是前面一再提到的量子態(tài)非克隆原理，它使得信號不能放大，這就如同只有二極管、沒有三極管不能造出經(jīng)典計算機一樣。所以我們必須在一開始時就制備出很多個量子態(tài)完全相同的粒子，并保持較長的一段時間，以便在運算的過程中始終保持糾纏，然后同時坍縮到相應的量子態(tài)。然而多粒子糾纏態(tài)的制備和維持是一件很困難的事，因為量子很容易受周圍環(huán)境的影響，基本上每多制備一位糾纏量子態(tài)，技術上的難度就要加倍。看來事物的發(fā)展是均衡的，正如上天不讓老虎長翅膀一樣，量子計算機能以指數(shù)式的速度進行并行計算，那么它在性能上的提高難度也是指數(shù)式的，這和經(jīng)典計算機芯片發(fā)展的摩爾定律形成了鮮明對比。

盡管如此，科技發(fā)展總是不乏新聞話題的。正當全世界對量子計算機的美好前景充滿憧憬而研制進度一籌莫展的時候，加拿大的一家公司宣布研制出了量子計算機，其中第一臺D-Wave I于2011年研制成功，量子位為128，賣給了洛克希德?馬丁公司。第二臺D-Wave II于2013年研制成功，量子位為512，被谷歌、NASA等幾家單位聯(lián)合購買。谷歌購買后，興致勃勃地邀請了計算機方面的兩位學者進行測試，測試的結果卻給谷歌潑了一頭冷水，兩位學者宣稱D-Wave II不具備量子加速性能。為了挽回顏面，谷歌自己組織了測試，并宣稱計算速度比經(jīng)典計算機快了1億倍。到底哪個才是事實真相？其實站在各自的立場，兩者的測試結果都對。首先要弄清楚一個事實，即并行算法并不是只有在量子計算機上才能進行，在經(jīng)典計算機上同樣能進行，只不過速度要慢很多，發(fā)揮不出并行計算的速度優(yōu)勢。加拿大公司的做法是采用硬件低溫超導方法實現(xiàn)量子退火算法，即把原先用軟件實現(xiàn)的并行算法改用硬件來實現(xiàn)，這一點很像在計算機發(fā)展的初期，國內曾經(jīng)出現(xiàn)過的漢卡、解霸卡等，都是為了提高運算速度而采取的硬件加速措施。所以在D-Wave II上運行量子退火算法，速度可比經(jīng)典計算機快很多，但對于其他的量子并行算法，如Shor算法、量子Grover算法等，它無能為力。一臺真正的量子計算機應該對所有的并行算法都具有加速性能，而且量子計算機特有的量子糾纏特性，D-WaveⅡ也沒有，故而它不被專家學者認可是一臺真正的量子計算機?？梢哉fD-Wave II是劍走偏鋒，是一臺“特殊的量子計算機”。

在科技發(fā)展史上，有很多新方法和新技術剛出現(xiàn)時，被人們寄予厚望，曾被認為是挖到了金礦，如混沌理論、分形理論、銅基高溫超導氧化物等。隨著時間的推移，人們意識到發(fā)現(xiàn)的只不過是一座銅礦。從目前的發(fā)展趨勢看，除非獲得原理上的突破，否則真正的量子計算機將可能永遠是個美好的愿景。退一步講，即使量子計算機研制成功了，并且能用Shor算法快速破解RSA密碼，人們也會提出其他的加密算法使量子并行算法失效，目前這樣的方案已經(jīng)提出了多種。正所謂“道高一尺，魔高一丈”，所以在相當長的一段時期，我們并不用擔心目前的加密方法不安全。

誤區(qū)三：量子通信可進入千家萬戶。

從前面的論述可知，要進行量子通信，需要雙方都要有一臺復雜的發(fā)送/接收設備，并且只能進行點對點的通信。另外，還需要防止量子保密通信被恐怖分子和間諜所利用，由此造成的損失是無法估量的。所以即使量子通信設備像今天的寬帶上網(wǎng)設備一樣便宜好用了，量子通信也會被限制使用。對于我們中的絕大多數(shù)人來說，可能一輩子也接觸不到量子通信。沒關系，我們只要了解其工作原理，遠遠地觀望它給世界帶來的變化就好，沒必要像手機一樣，只有玩弄于手掌之上才能體驗科技的進步。

6 結束語

量子通信是目前量子物理與信息科學的研究熱點?？梢灶A見，隨著技術的發(fā)展和人們對于信息安全的日益重視，它的應用會越來越廣，并在某些領域取代傳統(tǒng)的保密通信。與此同時，我們也要對它的發(fā)展持客觀理性的態(tài)度。只要我們理解了量子通信的工作原理和技術特點，就會對它的應用價值和未來發(fā)展趨勢作出正確的判斷。

(2017年11月27日收稿)■

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[2]吳華, 王向斌, 潘建偉. 量子通信現(xiàn)狀與發(fā)展[J]. 中國科學: 信息科學, 2014, 44(3): 296-311.

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