量子保密通訊 經(jīng)典派陷入的N個(gè)誤區(qū)

頭一陣子，我簡(jiǎn)單介紹了圍繞量子通訊所發(fā)生的一些爭(zhēng)議《量子通訊爭(zhēng)議，都在爭(zhēng)些什么？》，隨后網(wǎng)上相繼又出現(xiàn)幾篇文章，頗為熱鬧了一陣。然而，關(guān)于量子通訊的爭(zhēng)議雖然很熱鬧，經(jīng)典派有經(jīng)典派的誤區(qū)，量子派有量子派的罩門，但是雙方都講不到點(diǎn)子上，讓人看了著急。

先簡(jiǎn)單總結(jié)一下。爭(zhēng)議雙方（經(jīng)典派和量子派）對(duì)保密通訊有兩種看法：經(jīng)典派采用的是數(shù)學(xué)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。

關(guān)于量子通訊的爭(zhēng)論，在網(wǎng)上雙方不相上下，而現(xiàn)實(shí)中經(jīng)典派并沒有占得上風(fēng)，有以下幾個(gè)因素。

戰(zhàn)略方面

從戰(zhàn)略上講，經(jīng)典派托大了，沒有一個(gè)重量級(jí)的人物出來(lái)站臺(tái)。量子派有潘建偉院士，肯定可以鎮(zhèn)得住場(chǎng)子的。雖然也有幾位院士發(fā)出不同的聲音，但他們是量子物理學(xué)方面的院士，討論的是量子通訊的具體細(xì)節(jié)，反對(duì)的是工程方面的迅速鋪開，很難歸到經(jīng)典派的陣營(yíng)里。經(jīng)典派沒有大佬站臺(tái)，原因無(wú)外乎幾種：經(jīng)典派一盤散沙、沒有大佬；經(jīng)典派有大佬，但是大佬認(rèn)為量子派說(shuō)的對(duì)；經(jīng)典派的大佬認(rèn)為量子派說(shuō)的不對(duì)，但是自己又吃不準(zhǔn)，所以不好親自出場(chǎng)——萬(wàn)一看走眼了，太丟臉。

唯一值得討論的情況就是，經(jīng)典派的大佬拿不準(zhǔn)情況，所以不好站臺(tái)——從全局上看，表現(xiàn)出了經(jīng)典派沒有大佬站臺(tái)。

戰(zhàn)術(shù)方面

從戰(zhàn)術(shù)上講，經(jīng)典派自大了，甚至沒有一個(gè)人愿意想清楚量子派到底在說(shuō)什么。如果說(shuō)大佬們太忙，沒時(shí)間想這些細(xì)節(jié)，那么沖鋒在前的反對(duì)者，總應(yīng)該先搞清楚問(wèn)題再上陣吧。但是，好像也沒有。

經(jīng)典派不承認(rèn)量子派在技術(shù)上確實(shí)有個(gè)好處：能夠發(fā)現(xiàn)有人偷聽。他們總是堅(jiān)持說(shuō)，我不怕偷聽，你愛聽不聽，反正你聽不懂。無(wú)論經(jīng)典派還是量子派，最終目的都是為使用者提供保密服務(wù)，哪個(gè)重要哪個(gè)不重要，最終還是由使用者決定。使用者為什么不能認(rèn)為“發(fā)現(xiàn)偷聽”很重要呢？我們無(wú)法替使用者做決定。

經(jīng)典派似乎認(rèn)為，量子派只能使用量子方法，不能撈過(guò)界。他們說(shuō)應(yīng)該將量子密碼納入到完整的信息安全體系內(nèi)，意思像是說(shuō)，量子派永遠(yuǎn)只能用量子方法，“絕對(duì)不許”用經(jīng)典方法。但是保密的目的是保密，只要能夠達(dá)到這個(gè)目的，可以“無(wú)所不用其極”了。李紅雨舉了一個(gè)例子（查閱李紅雨文章，請(qǐng)戳本文左下角“閱讀原文”），128位的密碼，通過(guò)理想的加密算法，能夠等效于2128位“異或加密”的密鑰長(zhǎng)度，似乎是說(shuō)經(jīng)典派遠(yuǎn)遠(yuǎn)強(qiáng)于量子派了。但是，量子派說(shuō)用量子通訊可以安全地傳送這128個(gè)密碼，誰(shuí)要是偷聽我肯定能發(fā)現(xiàn)，量子派卻沒有說(shuō)一定要用這128個(gè)密碼只做一次一密。可以做一次一密，和只做一次一密，還是有差別的。當(dāng)有了這128個(gè)密碼，當(dāng)然也可以用經(jīng)典方法繼續(xù)操作——為什么限制我？

最近爭(zhēng)議重啟的一個(gè)主要原因是金賢敏的工作，有人說(shuō)他的工作表明量子派聲稱的“絕對(duì)安全性”有漏洞，金賢敏說(shuō)他的工作是支持量子派的，而經(jīng)典派卻不這么認(rèn)為。認(rèn)為自己對(duì)某件事情的看法比具體做那件事的人更正確，也是自大的一種表現(xiàn)吧。

其他破綻

以上3個(gè)例子有些籠統(tǒng)，經(jīng)典派可能會(huì)認(rèn)為自己被曲解了，那么再舉幾個(gè)具體的例子，說(shuō)明經(jīng)典派沒有搞清楚量子派做的是什么。

以金賢敏的工作為例，加個(gè)光隔離器就可以避免這種攻擊，而李紅雨提出了兩個(gè)反制手段，簡(jiǎn)單說(shuō)就是“消除光隔離器內(nèi)部的磁場(chǎng)”。一個(gè)方法是高溫消磁，另一個(gè)方法是設(shè)法抵消永磁鐵的磁場(chǎng)。而這方法并不現(xiàn)實(shí)，永磁體是幾厘米大小的磁環(huán)，光從環(huán)的孔洞中通過(guò)，外來(lái)的激光無(wú)法接觸到這個(gè)磁體，當(dāng)然不可能加熱它，更無(wú)法產(chǎn)生磁場(chǎng)抵消它。難道說(shuō)，他可以去發(fā)送信息的屋里，用電吹風(fēng)把這個(gè)永磁體干掉？

再說(shuō)說(shuō)利用“非線性晶體下自發(fā)參量下轉(zhuǎn)換攻擊”。李紅雨認(rèn)為，因?yàn)槟承┓蔷€性晶體可以把入射光子劈裂為兩個(gè)光子，而且這兩個(gè)光子的偏振與入射光子的偏振是絕對(duì)相關(guān)的，這樣就可以確定入射光子的偏振；他還進(jìn)一步認(rèn)為：“看來(lái)不可克隆原理終究沒有成為BB84協(xié)議宣稱的金鐘罩鐵布衫?！逼鋵?shí)，這種自發(fā)參量下轉(zhuǎn)換過(guò)程能夠發(fā)生的一個(gè)基本要求就是，入射光子的偏振必須滿足某個(gè)特定的條件——量子通訊能夠檢測(cè)到偷聽者，就是因?yàn)檫@種條件并不是時(shí)時(shí)都能夠滿足的。

相關(guān)物理知識(shí)

光是電磁波，電磁場(chǎng)在垂直于光的傳播方向交替振動(dòng)（“電生磁、磁生電”），所以光有偏振性。這種偏振性可以用“偏振片”檢驗(yàn)。我們看3D電影時(shí)，都要戴一副眼鏡，這副眼鏡就是由兩個(gè)不同的偏振片構(gòu)成：一個(gè)（如左眼的鏡片）讓垂直偏振的光通過(guò)，另一個(gè)（右眼的鏡片）讓水平偏振的光通過(guò)。兩個(gè)不同的投影機(jī)，分別用垂直偏振和水平偏振的光，把略為不同的兩個(gè)影像投射在電影屏幕上。如果不戴立體眼鏡，每個(gè)眼睛都能看到這兩個(gè)影像，所以就會(huì)覺得有些模模糊糊的；戴了立體眼鏡，左眼和右眼看到的就是略有不同的影像，大腦自動(dòng)把它們加工成立體影像了。說(shuō)得再詳細(xì)一些。偏振片檢測(cè)光的偏振性，因?yàn)樗幸粋€(gè)特殊的方向：當(dāng)光的偏振方向與這個(gè)方向相同時(shí)（0度）就可以透射過(guò)去；當(dāng)光的偏振與這個(gè)方向垂直時(shí)（90度），光就透不過(guò)去；當(dāng)光的偏振既不垂直也不平行于這個(gè)特殊方向時(shí)，就只有一部分光可以透過(guò)，如光的偏振方向與這個(gè)方向呈45度時(shí)，有一半光可以透過(guò)去。單光子通訊的BB84協(xié)議利用的就是光的偏振性，再加上單光子特性，一個(gè)光子是不能分成兩個(gè)的。一個(gè)45度偏振的光子照射在0度放置的偏振片上，有一半的幾率透過(guò)，一半的幾率透不過(guò)去——但絕對(duì)不會(huì)一分為二的。

張三和李四通訊，每次發(fā)射一個(gè)特定偏振的單光子，其偏振分為兩類：一類是0度或90度偏振的，另一類是45度或135度偏振的。為了確定收到的單光子的偏振種類，李四必須適當(dāng)安放偏振片的方向：如果0度放置，就可以完全確定光子偏振是0度還是90；如果45度放置，就可以完全確定光子偏振是45度還是135度。但是，對(duì)于0度放置的偏振片，45度和135度的偏振光子是無(wú)法區(qū)分的，只會(huì)誤認(rèn)為是0度或者90度；而45度放置的偏振片無(wú)法區(qū)分0度和90度的偏振光子，只會(huì)誤認(rèn)為是45度或者135度。

接下來(lái)，張三隨機(jī)地發(fā)送第一類或者第二類的偏振光子，李四隨機(jī)地安置檢測(cè)偏振的構(gòu)型。李四的構(gòu)型跟張三匹配了，就會(huì)確定地得到光子的偏振類型，如果不匹配，得到的光子偏振類型就是錯(cuò)誤的。張三和李四傳送了一些光子以后，就用大喇叭告訴對(duì)方，我的每個(gè)光子是哪一類的偏振，李四挑出那些與張三傳送類型匹配的測(cè)量構(gòu)型（有一半的幾率），就能得到正確的偏振構(gòu)型了——這就是量子密碼傳送。

王麻子想偷聽，只能像李四一樣瞎猜一個(gè)構(gòu)型，然后截取張三發(fā)來(lái)的光子，測(cè)量其偏振構(gòu)型，還要再發(fā)一個(gè)光子給李四，這個(gè)光子的偏振只能是王麻子自己測(cè)到的那個(gè)偏振類型（否則就白測(cè)了）。因?yàn)橥趼樽邮窍共碌臉?gòu)型，所以每次都有一半的幾率猜錯(cuò)，這種錯(cuò)誤就會(huì)反映在李四的測(cè)量上，李四也就知道有人在偷聽了。

具體用數(shù)字說(shuō)明一下。李四接到了1000個(gè)光子，又聽到張三在大喇叭里喊的消息，找出那500次是與張三匹配的測(cè)量構(gòu)型，如果測(cè)量的結(jié)果與張三500次都一樣，就說(shuō)明沒有人在偷聽：如果王麻子偷聽的話，就會(huì)使得李四的結(jié)果有125次與張三的不一樣（500的一半是250，250的一半是125），張三和李四就知道有人偷聽了。

這是一個(gè)簡(jiǎn)單的協(xié)議（真實(shí)協(xié)議比這個(gè)稍微復(fù)雜一些，因?yàn)橐紤]統(tǒng)計(jì)漲落和環(huán)境噪聲等因素）。張三和李四傳遞信息，王麻子只能干瞪眼：他要么不干預(yù)，否則就會(huì)被發(fā)現(xiàn)。

但是，經(jīng)典派似乎不承認(rèn)這一點(diǎn)，總是認(rèn)為有方法反制。例如金賢敏此次的“注入攻擊”，或者以前的“探測(cè)器致盲攻擊”。其實(shí)這些手段都需要有很強(qiáng)的光進(jìn)入張三或李四的控制范圍內(nèi)，很容易被檢測(cè)到。至于說(shuō)李紅雨提到的“非線性晶體下自發(fā)參量下轉(zhuǎn)換攻擊”，以及其他人說(shuō)的“激光器就能大量復(fù)制光子”，都是違反了基本物理機(jī)制，望文生義導(dǎo)致的誤解。他們對(duì)誘騙態(tài)協(xié)議的質(zhì)疑，也是同樣的望文生義。有些經(jīng)典派走得更遠(yuǎn)，認(rèn)為“量子不可克隆原理”不成立，其實(shí)就是反對(duì)整個(gè)量子力學(xué)的基礎(chǔ)，這種精神狀態(tài)恐怕不僅僅是用自大就可以描述的了。

上面選用的來(lái)自于李紅雨文章的例子，頗能代表經(jīng)典派的看法。不幸的是，他們描述的量子通訊的技術(shù)細(xì)節(jié)，完全是牛唇不對(duì)馬嘴。甚至讓人懷疑，這些反對(duì)者會(huì)不會(huì)是量子派的“托兒”？持這種觀點(diǎn)反對(duì)量子通訊的，基本上算是“民科”，這樣反對(duì)的人越多，量子派就越高興——他們偷笑還來(lái)不及呢，哪里會(huì)出來(lái)反對(duì)？

簡(jiǎn)而言之，在目前的量子通訊爭(zhēng)議里，經(jīng)典派在戰(zhàn)略上太托大，在戰(zhàn)術(shù)上太自大，他們落在下風(fēng)當(dāng)然也就不出意料了。