“英才計劃”是中國文聯、教育部于2013年舉辦的青少年科技創新后備人才培養計劃,主要任務是選拔一批品學兼優、學有余力,具有創新潛質的學生走入學院,在自然科學基礎學科領域的知名科學家指導下出席科學研究項目、科技社聯活動、學術研討和科研實踐等活動。
2018年3月,中國科大學學院與中國文聯牽手,在國交大官方陌陌公眾號開辦“物理英才”頻道,傳播科學思想和科學知識。
近來幾年,我國在量子通信領域取得了一些重要進展,但也出現了一些爭議,我來簡單談一談都是如何回事。
量子通信是保密通信的一種。通信亦即一切傳遞信息的活動,包括談話、寫信、打電話等。下邊以打電話為例。
張三和李四說話,假若不害怕他人看見,這么輕言細語也好,小聲吆喝也罷,都無所謂的中國 量子通訊,如何便捷就如何來。這就是通常的通信。
張三和李四想說些秘密的事情,不想讓其他人聽到,那就要想些辦法,否則被王麻子曉得了,他都會來搗亂。王麻子這個人非常反感,千方百計地就是要偷聽張三和李四的通話,但是還不能讓他倆曉得自己把握了她們通話的內容,否則就不好搗亂了,并且有可能被張三和李四設個套路,把自己誤導到溝里去。這就是保密通信。
為了實現保密通信,張三和李四最好的方式,其實是壓根不讓王麻子曉得她們在說話。這是保密通信的最高境界,倘若能做到這一點,張三和李四想怎樣說就如何說,想說哪些就說哪些,無所謂了。
然而,王麻子早已盯上她們許久了,很難擺脫的。張三和李四想要談論秘密的事情,不讓王麻子曉得她們說的內容是哪些,就只有兩種方式了。
一種方式是保證王麻子聽不懂她們說的話,他可以看到,而且聽不懂。例如說,張三和李四都是福州人,說著一口流利的廣州話,這么西北長大的王麻子肯定就抓瞎了。并且,假如王麻子的鄙人王八蛋也懂潮州話,這個方式肯定不能使了,張三和李四就要換用她們在蘇門答臘國學會的鳥語了。這就是精典保密通信,用密碼把信息加密,讓偷聽者聽了也白聽。至于說具體的加密方式,那就有好多種了,現今的大多數方式都是基于圖論的,最知名的就是“公共秘鑰加密”方法。
另一種方式是保證王麻子聽不到她們說的話,假如他來偷聽,就立即報案。張三和李四只要曉得有人在偷聽,就把昨天說的話全部作廢,俺們重新來過。老話說“隔墻有耳”,這些方式曾經是做不到的,并且隨著量子理論的發展,如今可以做到了,這就是量子保密通信,一旦有人偷聽,這里立即報案。至于說具體的加密方式,也不止一種,最知名的就是基于“BB84合同”的單光子通信。
總結一下,保密通信有兩大類,精典方式和量子方式。精典方式賭的是你聽了也白聽,總之你解不了密,不曉得我們說的是哪些,所以完全可以用大揚聲器吆喝;量子方式賭的是我們有個絕對安全的溝通渠道,只要有人偷聽,我們立即就曉得,之后采取舉措恢復安全,但是被盜聽的內容也都作廢了。具體的實現方法有好多種,盡管并不是很復雜,但也不是三言兩語就可以講清楚的——這方面的科普文章好多了,我就省點力氣吧。
精典方式主要依賴于物理,量子方式側重于數學,但都是服務于共同的革命目標——我們張三和李四說些體己話,你王麻子就不要來搗亂了。近來幾年,我國在量子保密通信方面有好多進展,滬寧干線啦、墨子號衛星啦,形勢一片大好,可是同時也出現了一些爭議,究竟是為何呢?真的是“衛星上天、紅旗落地”嗎?
雖然爭議仍然存在,只是現今愈發公開化了。爭議大致是這樣的:
精典派覺得,物理方式早已足夠好了,若果有必要的話,我們還可以進一步提升保密的能力。例如說,只要簡單地降低密碼的寬度,就可以輕松地大勝越來越強悍的破解能力。數學技巧太脆弱,我隨意搗搗亂,你昨天說的話就得作廢,讓你失約而肥、活活噎死你。并且物理方式可以用大喇叭喊,通話雙方在那里講話都無所謂,而化學方式依賴于絕對安全的信道,通話雙方必須老老實實地呆在固定的位置。
量子派還擊說,量子計算機你據說過嗎?就你那種加密水平,等量子計算機研發下來了,分分鐘把你扒個干凈!說哪些量子信道脆弱?只要你敢來偷聽,我立即就曉得,馬上就讓你品嘗武裝保衛力量的鐵拳!
在我看來,這兩派雖然都有些空對空。首先,量子計算機如今是“八字還沒有一撇”,他人其實不會擔心你的虛言恐嚇;其次,量子保密信道的絕對安全性是由量子化學學保證的,沒有人懷疑其理論上的正確性,你們爭辯的實際上是它的工程意義。至于說科普文章里常常提及的量子熱學的各類哲學解釋以及由此引發的各類爭辯,雖然都是沒有必要的噱頭。
量子計算機距離現實還很遠,別看這幾年微軟、微軟、IBM之流宣傳的調門很高,而且距離真正就能破譯現行密碼體系的量子計算機,我只能保持慎重豁達的心態。大約再過20年,這個領域就可以誠懇地宣告:只要再過20年,這個領域就可以……
量子保密通信的破解也僅僅是宣傳下來的療效。譬如說,這三天的一個新聞聲稱某研究團隊破解了“量子通訊”,之后該團隊發表申明說其結果是支持“量子通訊”的,還有各類各樣的新聞評析。并且你若果仔細瞧瞧她們的研究論文,都會發覺偷聽者王麻子具有極其強悍的能力,實際上能夠控制張三發送的信息(盡管她們只是在一些情況下鎖定了張三的激光器),所以并沒有哪些實際意義。換句話說,張三有十分簡單的方法可以測量到王麻子在干擾系統,但是他卻沒有那樣做,其實都會被盜聽。這個研究并不影響量子保密通信的基礎。
雖然,量子保密通信是否全面施行主要是個工程問題,甚至是個決策問題。支持者們主要是努力提升系統傳輸信息的效率和減少成本,這兒面包括制訂合適的合同、改進光源和偵測器的效率、拓展光纖通信的距離、防范施行過程中可能出現的漏洞、探索地空通信乃至衛星間通信的可能性,等等;反對者們主要是主要針對其脆弱的系統、巨大的成本,指責其是否具有所宣稱的保密性、究竟能夠代替久經考驗特別成熟的公共秘鑰系統。既然不僅僅是科學問題,這么就不免要涉及宣傳,宣傳的時侯其實也就多挑自己有利的講,多挑你們想聽的講。
我對這件事情的想法是,你們爭辯的是量子保密通信的工程意義,而我們普通人沒有決策權,爭辯雖然是給他人看的。深入到具體細節,普通人很難判定誰是誰非,即便這中間還有許多的利益畸戀。
這個問題的關鍵在于決斷,也就是說須要保密的人認為值不值。假如張三和李四討論的只是吳家長、李家短,自然沒有必要設置非常高的保密標準;假如她們關心的是三體的入侵、地球的危亡,其實就要防止來自火星的王麻子偷聽絕密。
就事論事地說,保密通信是一個系統工程,最終的療效取決于整個系統的最弱項,而不是最長板,并且還要考慮保密和效率之間的權衡,現實情況與未來發展的沖突。據悉,保密通信有個蘊涵的假定,就是通信雙方的能力和資源與對抗者相差不太大,否則就沒有意義了——美國首相特朗普會遭到通俄的懷疑,而普通人肯定沒法對抗棱鏡計劃。保密通信里常常提及的“中間人功擊”就是偷聽者和通話者實力相差過分懸殊的情況,并沒有太多的實際意義。普通人保密的王牌在于自己的平凡身分、無密可言,只要自己注意不要上電話騙局的當就可以了,至于說CIA這樣強悍的力量,其實是“千鈞之弩,不以鼷鼠發機;萬石之鐘,不為尺梃成響”。
但是,你說量子計算機不可能實現,精典保密系統牢不可催,但決策者并不一定這樣覺得,他也肯定沒有耐心去聽你嚴格的證明;你說絕對保密的通訊渠道十分脆弱,任何簡單的干擾就會造成難以有效地傳遞信息中國 量子通訊,但決策者其實須要的正是這樣一個誘餌,把任何勇于在這個通道上撩貓逗狗的家伙就地正法——再指出一遍,量子保密通信保證的是,只要有人偷聽,我就一定會曉得。
再說,具有決策權的人,須要考慮的事情也不僅僅是保密通信這一個問題。對于早已投入和即將投入的高達幾十億甚至上百億的資金來說,雖然決策者也要謹慎考慮,是投入到量子保密通信的發展呢,還是拿來強化精典保密通信的研究呢?似乎更應當構建超級粒子加速器便于盡快超歐趕美,或則修一條海底隧洞直元江南島因而推動經濟發展呢?那些都是問題,十分困難的問題。
在我看來,這就是目前關于保密通信的主要爭議。我沒有提及任何的技術細節,只是為了防止干擾讀者對整體形勢的認識。我認為,不管是精典派還是量子派,都應當針對具體問題進行討論,不宜避實就虛、顧左右而言他。更重要的是一定要認識到,這是個工程問題,更是個決策問題。
姬揚:中國科大學學院博士生導師、中科院半導體所研究員、中國科大學“百人計劃”獲得者,“杰出青年基金”獲得者。在中國科大學半導體研究所工作,從事半導體化學學方面的實驗研究。
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