量子保密通訊，經典派陷入的N個誤區

　　來源：返樸    ID：fanpu2019

　　撰文 | 姬揚（中國科學院半導體研究所研究員）

　　知彼知己，百戰不殆；不知彼而知己，一勝一負；不知彼，不知己，每戰必殆。

　　上個月，我簡單介紹了圍繞量子通訊所發生的一些爭議《量子通訊爭議，都在爭些什麼？》，隨後網上相繼又出現幾篇文章，頗為熱鬧了一陣。然而，關於量子通訊的爭議雖然很熱鬧，經典派有經典派的誤區，量子派有量子派的罩門，但是雙方都講不到點子上，讓人看了著急。

　　先簡單總結一下。爭議雙方（經典派和量子派）對保密通訊有兩種看法：經典派採用的是數學方法，賭的是你隨便聽，反正你解不了密；量子派採用物理方法，賭的是只要你偷聽，我就能知道。

　　關於量子通訊的爭論，在網上雙方不相上下，而現實中經典派並沒有佔得上風，有以下幾個因素。

　　戰略方面

　　從戰略上講，經典派託大了，沒有一個重量級的人物出來站台。量子派有潘建偉院士，肯定可以鎮得住場子的。雖然也有幾位院士發出不同的聲音，但他們是量子物理學方面的院士，討論的是量子通訊的具體細節，反對的是工程方面的迅速鋪開，很難歸到經典派的陣營里。經典派沒有大佬站台，原因無外乎幾種：經典派一盤散沙、沒有大佬；經典派有大佬，但是大佬認為量子派說的對；經典派的大佬認為量子派說的不對，但是自己又吃不準，所以不好親自出場——萬一看走眼了，太丟臉。

　　唯一值得討論的情況就是，經典派的大佬拿不準情況，所以不好站台——從全局上看，表現出了經典派沒有大佬站台。

　　戰術方面

　　從戰術上講，經典派自大了，甚至沒有一個人願意想清楚量子派到底在說什麼。如果說大佬們太忙，沒時間想這些細節，那麼衝鋒在前的反對者，總應該先搞清楚問題再上陣吧。但是，好像也沒有。

　　經典派不承認量子派在技術上確實有個好處：能夠發現有人偷聽。他們總是堅持說，我不怕偷聽，你愛聽不聽，反正你聽不懂。無論經典派還是量子派，最終目的都是為使用者提供保密服務，哪個重要哪個不重要，最終還是由使用者決定。使用者為什麼不能認為「發現偷聽」很重要呢？我們無法替使用者做決定。

　　經典派似乎認為，量子派只能使用量子方法，不能撈過界。他們說應該將量子密碼納入到完整的信息安全體系內，意思像是說，量子派永遠只能用量子方法，「絕對不許」用經典方法。但是保密的目的是保密，只要能夠達到這個目的，可以「無所不用其極」了。李紅雨舉了一個例子（查閱李紅雨文章，請戳本文左下角「閱讀原文」），128位的密碼，通過理想的加密演算法，能夠等效於2128位「異或加密」的密鑰長度，似乎是說經典派遠遠強於量子派了。但是，量子派說用量子通訊可以安全地傳送這128個密碼，誰要是偷聽我肯定能發現，量子派卻沒有說一定要用這128個密碼只做一次一密。可以做一次一密，和只做一次一密，還是有差別的。當有了這128個密碼，當然也可以用經典方法繼續操作——為什麼限制我？

　　最近爭議重啟的一個主要原因是金賢敏的工作，有人說他的工作表明量子派聲稱的「絕對安全性」有漏洞，金賢敏說他的工作是支持量子派的，而經典派卻不這麼認為。認為自己對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吧。

　　其他破綻

　　以上3個例子有些籠統，經典派可能會認為自己被曲解了，那麼再舉幾個具體的例子，說明經典派沒有搞清楚量子派做的是什麼。

　　以金賢敏的工作為例，加個光隔離器就可以避免這種攻擊，而李紅雨提出了兩個反制手段，簡單說就是「消除光隔離器內部的磁場」。一個方法是高溫消磁，另一個方法是設法抵消永磁鐵的磁場。而這方法並不現實，永磁體是幾厘米大小的磁環，光從環的孔洞中通過，外來的激光無法接觸到這個磁體，當然不可能加熱它，更無法產生磁場抵消它。難道說，他可以去發送信息的屋裡，用電吹風把這個永磁體幹掉？

　　再說說利用「非線性晶體下自發參量下轉換攻擊」。李紅雨認為，因為某些非線性晶體可以把入射光子劈裂為兩個光子，而且這兩個光子的偏振與入射光子的偏振是絕對相關的，這樣就可以確定入射光子的偏振；他還進一步認為：「看來不可克隆原理終究沒有成為BB84協議宣稱的金鐘罩鐵布衫。」其實，這種自發參量下轉換過程能夠發生的一個基本要求就是，入射光子的偏振必須滿足某個特定的條件——量子通訊能夠檢測到偷聽者，就是因為這種條件並不是時時都能夠滿足的。

　　相關物理知識

　　光是電磁波，電磁場在垂直於光的傳播方向交替振動（「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。我們看3D電影時，都要戴一副眼鏡，這副眼鏡就是由兩個不同的偏振片構成：一個（如左眼的鏡片）讓垂直偏振的光通過，另一個（右眼的鏡片）讓水平偏振的光通過。兩個不同的投影機，分別用垂直偏振和水平偏振的光，把略為不同的兩個影像投射在電影屏幕上。如果不戴立體眼鏡，每個眼睛都能看到這兩個影像，所以就會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，大腦自動把它們加工成立體影像了。

　　說得再詳細一些。偏振片檢測光的偏振性，因為它有一個特殊的方向：當光的偏振方向與這個方向相同時（0度）就可以透射過去；當光的偏振與這個方向垂直時（90度），光就透不過去；當光的偏振既不垂直也不平行於這個特殊方向時，就只有一部分光可以透過，如光的偏振方向與這個方向呈45度時，有一半光可以透過去。

　　單光子通訊的BB84協議利用的就是光的偏振性，再加上單光子特性，一個光子是不能分成兩個的。一個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，一半的幾率透不過去——但絕對不會一分為二的。

　　張三和李四通訊，每次發射一個特定偏振的單光子，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，對於0度放置的偏振片，45度和135度的偏振光子是無法區分的，只會誤認為是0度或者90度；而45度放置的偏振片無法區分0度和90度的偏振光子，只會誤認為是45度或者135度。

　　接下來，張三隨機地發送第一類或者第二類的偏振光子，李四隨機地安置檢測偏振的構型。李四的構型跟張三匹配了，就會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誤的。張三和李四傳送了一些光子以後，就用大喇叭告訴對方，我的每個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量構型（有一半的幾率），就能得到正確的偏振構型了——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構型，然後截取張三發來的光子，測量其偏振構型，還要再發一個光子給李四，這個光子的偏振只能是王麻子自己測到的那個偏振類型（否則就白測了）。因為王麻子是瞎猜的構型，所以每次都有一半的幾率猜錯，這種錯誤就會反映在李四的測量上，李四也就知道有人在偷聽了。

　　具體用數字說明一下。李四接到了1000個光子，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量構型，如果測量的結果與張三500次都一樣，就說明沒有人在偷聽：如果王麻子偷聽的話，就會使得李四的結果有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。

　　這是一個簡單的協議（真實協議比這個稍微複雜一些，因為要考慮統計漲落和環境雜訊等因素）。張三和李四傳遞信息，王麻子只能幹瞪眼：他要麼不干預，否則就會被發現。

　　但是，經典派似乎不承認這一點，總是認為有方法反制。例如金賢敏此次的「注入攻擊」，或者以前的「探測器致盲攻擊」。其實這些手段都需要有很強的光進入張三或李四的控制範圍內，很容易被檢測到。至於說李紅雨提到的「非線性晶體下自發參量下轉換攻擊」，以及其他人說的「激光器就能大量複製光子」，都是違反了基本物理機制，望文生義導致的誤解。他們對誘騙態協議的質疑，也是同樣的望文生義。有些經典派走得更遠，認為「量子不可克隆原理」不成立，其實就是反對整個量子力學的基礎，這種精神狀態恐怕不僅僅是用自大就可以描述的了。

　　上面選用的來自於李紅雨文章的例子，頗能代表經典派的看法。不幸的是，他們描述的量子通訊的技術細節，完全是牛唇不對馬嘴。甚至讓人懷疑，這些反對者會不會是量子派的「托兒」？持這種觀點反對量子通訊的，基本上算是「民科」，這樣反對的人越多，量子派就越高興——他們偷笑還來不及呢，哪裡會出來反對？

　　簡而言之，在目前的量子通訊爭議里，經典派在戰略上太託大，在戰術上太自大，他們落在下風當然也就不出意料了。

　　《返樸》，致力好科普。國際著名物理學家文小剛與生物學家顏寧聯袂擔任總編，與幾十位學者組成的編委會一起，與你共同求索。關注《返樸》（微信號：fanpu2019）參與更多討論。二次轉載或合作請聯繫fanpu2019@outlook.com。

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