第四十一期 启迪云 王立波
引子
如果你对量子通信非常了解,可以忽略本文?如果对该领域不了解,那么可以通过本文了解量子通信的一些基本知识。笔者也在网上看了很多文章,发现如果是新手根本无从下手去理解量子通信,因为大部人并不是专业领域的人。所以笔者从一个学习者的角度,去梳理和解释量子通信。同时本文尽量减少采用专业术语,使用通俗的语言和例子带大家了解量子通信!文章几乎没有复制粘贴,90%以上的文字都是基于自己的理解进行码字,难免有不严谨之处,但不影响新手阅读。
➤讨论范围
最近一直炒得很热的就是量子通信,可以参考下图,量子通信就是量子力学和信息科学结合带来的产物。本文我们只讨论量子通信,且重点是量子密码。
➤量子定义
何为量子?量子是携带能量的最小单位。就像光就是由无数光量子组成的,比如一速阳光从太阳到达了地球,传递了多少能量呢,我们就可以数数到底有多少光量子到达了地球。光量子不能再分了,已经是最小的携带能量的单位了。
为了简化理解,我们把量子比作一个有状态的小球,有什么状态我们待会再说。
➤抛出观点
1、 常规数据通信,包括光纤通信,信息有被窃取的风险。
2、 通过秘钥对信息进行加密和解密的方案,目前虽然是主流。但并不是绝对安全。
3、 靠量子纠缠不能进行常规安全数据通信,至少当前技术上无法实现
4、 量子秘钥分发技术,可以实现绝对的数据安全
5、 量子秘钥分发,理论上可以借用量子纠缠,也可以不用。实际应用中不会用到,量子纠缠。
6、 量子通信的最大安全距离不断提升
➤观点证明
一、普通光纤通信的安全问题
光纤通信是目前常规的通信方式,几乎所有的通信都要走光纤。但光纤通信中的所有数据,都可以很容易的被窃听者获取。获取到办法也很简单。
方法一:通过分离光束法,简单来说就是把光纤切断,中间接个窃听设备。设备只捕获部分光,其余大部分光都放通,通过这种手段窃取信息。
方法二:弯曲耦合光纤的方法。光在光纤中基于全反射的原理,光不会泄露。但只要光纤弯曲炒股一定弧度,那么就会有部分光射出来了,光信号就泄露了。
二、普通秘钥的安全性问题
既然,光纤通信中,数据不可能避免被窃取的风险,那么可以引入秘钥对数据加密。即使数据丢了,也是密文。比如举个例子,发送方发了要发送,“it is a pig”,他采用了字母向前移动1位的方法,并且将发放告诉了接受方,所以“it is a pig”在发送时,被加密成了 “ju jt a qjh”。解密方使用将字母向后移动一位的方法,将加密信息还原。
如上表,但是这种方案有诸多问题。 第一,容易被猜到,在密文中反复出现的字母,很容易被猜出来,进而破解算法和秘钥。比如 ju jt b qjh中的j出现较多,很容易被裁成i。
第二,秘钥如何传递,秘钥的传递也是通过传统信道,同样容易被盗。
信息论的创始人香农(Claude E . Shannon)证明了一个数学定理:密钥如果满足三个条件,那么通信就是“绝对安全”的。
1)密钥是一串随机的字符串;2)密钥的长度跟明文一样,甚至更长;3)每传送一次密文就更换密钥,即“一次一密”。
如下图,为了传递 it is a pig 这8个字母,我的秘钥也是8位的。下次传输其他数据时,还要更换秘钥。
香农的定理听起来好像已经解决了保密通信的问题,但其实没有。真正的难题在于,怎么把密钥从一方传给另一方?
业界还有里那个外一种秘钥加密方案,叫RSA非对称加密。这种秘钥方案可以不用传递秘钥,也就排除了秘钥在传递过程中的风险。主要的思想是,接受者传递公钥,自己保留私钥,公钥用于加密,但是公钥无法解密。也就是公钥虽然传输,但是窃密者拿到公钥没办法解密。其实RSA这种非对称加密,并不是没办法解密,只是基于当前的计算机算力无法在短时间破解。有兴趣的可以去网上了解下,破解的过程主要难点在于如何是将一个超大的数拆成2个素数的积。
但是RSA还是有被破解的可能,尤其是已经通过实验在量子计算领域将破解RSA算法的算力有了指数级的降低。
到这里,我们知道了,我们目前使用的秘钥方案,都不是绝对安全的。
三、靠量子纠缠进行安全通信的不靠谱性
我们在看看基于当前技术,有没有一种不靠秘钥,靠构建一条安全通道,或者说隐秘通道让信息安全传输呢?
有人之前听过量子的一些基本概念,说可以靠量子纠缠来实现。这是最常见的对量子通信的误解。
量子纠缠,有人说是两个量子鬼魅般的超距作用,量子A伸左手,量子B就伸右手,并且是同时发生,不存在传递的时间。由于中间没有传输时间和传输介质,有理想的人就提出了,这样就可以实现超光速且不可被窃听的安全通信了。对、这只是幻想,他违背了爱伊斯坦的相对论,信息传递不可能超光速。
在这里我们还要抛出几个观点来佐证为什么量子纠缠不能传递发送者的有效信息
1) 通过量子纠缠(隐态传输),连发送方都不知道自己传递了什么信息。
2) 量子纠缠只能在实验室进行,距离应用还要很远的路要走
3)靠单量子取代现有通信方式,目前也很难进入应用领域
为什么量子纠缠(隐态传输),连发送方都不知道传递了什么信息?
啥叫纠缠,简单来说,就是两个量子如果处于纠缠态,那么他们的状态完全相反,不管离多远。但是纠缠态还是可以被打破,只要有设备对其中一个量子造成了影响,比如测量操作。但是如果不测量,发送方自己都不知道这个量子处于什么状态。这样如何传递预设的信息?
量子纠缠只能在实验室进行,距离应用还要很远的路要走
由于工程技术现在还达不到应用级别的量子纠缠分发能力,所以距离应用还比较遥远。
靠单量子取代现有通信方式,目前也很难进入应用领域
不用量子纠缠,使用常规量子通信目前也很难应用,问题主要是通信距离太短,生成量子的成码率太低。
四、量子秘钥分发技术,可以实现绝对的数据安全
继续抛出几个观点
1) 量子秘钥分发基于“单个量子”和“量子不可测量”两个条件保障安全
2) 量子秘钥分发,不使用量子纠缠
量子秘钥分发基于“单个量子”和“量子不可测量”两个条件保障安全
为了便于大家理解,我们举例说明
如上图,假设量子是发送者从高空自由落体的一个球,这个球的状态信息就是下落时处于圆盘的角度。下边放了一些同心圆盘。圆盘在0°、45°、90°和135°的扇面打了孔。如果球的下落角度正对着孔,那么通过圆盘时,圆盘的主人就会知道球是从哪个孔下落的。
由于小球在接触圆盘A之前,我们无法得知其运动的线路。当小球接触到圆盘A时,会随机选择一个孔穿过A,之后小球会一直沿着该直线下落。比如从A的90°口穿过后,会一直穿过B的90°口,状态不会改变。
球落到C盘以后,如果C盘没有90°和0°,那么球就会随机(50%概率)的从45°或者135°孔穿过C盘下落。
以上在中间设置圆盘的动作,就是测量。只有测量了,才知道球的运动角度。但是我们不知道球在接触A盘之前是什么角度下来的,可能是360°任何一个角度(延伸一下:每个角度都可以作为一个量子比特,所以量子比特很大)。通过圆盘时,我们只有几个孔,让球从其中一个孔掉落,这就破坏了原来的状态。这也叫做量子的不可测量,虽然你测量了,但是你测量的并不精确。
我们如何通过量子的不可测量来分发秘钥?我们接着举例,同时也接近事实
如上图,
1、定义两种圆盘,即A型0°和90°, B型(45°和135°),
2、定义量子比特,0°和45°代表比特位0, 90°和135°代表比特位1
即每一组圆盘中都有两个孔,如果通过了量子,都能代表0或者1.
通信过程举例:发送4个量子
1、发送者随机使用 ABBB 圆盘让量子通过(ABBB是随机选择的)
发现量子的方向为90°、45°、135°、45°,即1010
2、接受者随机使用 BABB(随机选择) 圆盘让量子通过即x?°、x?°、135°、45°。由于前两个圆盘A和B用的不一致,造成量子状态改变,所以A和B约定圆盘不一致的测量作废。那怎么知道他们用的圆盘是否一致,接受者直接使用传统的通信方式(非加密)告诉发送者即可。不用担心泄密,因为每个圆盘都有两个孔,并没有让窃听者知道从哪个孔下去的,代表0还是1.
3、这样我们知道发送者ABBB,接受者使用BABB,只有后两个圆盘一致,只取后两个数,后两个数发送者和接受者都知道是10,秘钥发送完毕。
这时候,你会说,有人窃听秘钥怎么办?
参考上图,看看我们是如何抓贼的。
由于发送者和接受者,只选择相同的圆盘通过的球角度作为有效传输的信息。那么我们就要知道这些有效的比特是否被窃听者观测过,即中间是否有窃听者的圆盘。
想一下,用概率计算就是:窃听者有1/2概率用错圆盘,只要窃听者用错了圆盘,量子就会改变角度,如上图,从90°变成45°或者135°。量子就有1/2的概率从不同于发送者的孔通过。那么发送者和接受者收到的信息就不一致。这个不一致也叫做误码。如果窃听者使用了圆盘窃听,那么不一致的概率是1/2 × 1/2 = 1/4。我们必须要保障误码率为0。
所以为了知道有没有窃听,发送者和接受者决定公布一小段信息,让收发双方核对。这是第二次公布信息,如果公布的信息双方有不一致的位,那么就有人窃听,就会终止加密传输。你会问,公布了一段信息,那不就不安全了吗?没关系,比如我们想传递一个128位的秘钥,我们传递160位,然后公布32位用于判断是否有窃听即可。
这一套抓贼方案,也叫做BB84协议,是不是非常巧妙。
既然可以通过这么巧妙的协议就可以打造绝对安全的秘钥通信,那么为什么量子秘钥只有近几年才火起来,并且只有中国做的比较好呢?
刚才提到只有满足单光量子以及不可测量两个条件才能保障安全。但在应用场景中,科学家们也很难高效的制造出单光量子。并且在长距离传输过程,还会有损耗。光量子在光纤中超过20公里可能就损耗掉了。所以目前只能以光脉冲的形式随机发送,有时候是单光量子,有时候是多个光量子。这就又给窃听者带来了机会。窃听者可以在遇到单光子时拦截下来不让通过,在遇到多个光子时拿走一个,让其余的光子通过。通信双方难以分辨光子的减少是来自窃听还是来自信道的自然损耗。
2003-2005年,韩国科学家黄元瑛(Hwang W. Y.)和中国科学家王向斌、罗开广等人想出了一种巧妙的办法,就是“诱骗态协议”。这个协议比较难讲明白,大致意思就是,有些单光子和多光子是我要传递的信息,有些是诱骗的信息。两种光子损耗率不同,窃听者无法区别对待,那么收发双方就很容易得知,损失的光子是自然损耗还是有人窃取。这个地方也可以上网去查诱骗太协议,如果你不是绝对发烧友,就别去查了。你只需要了解现实中的量子秘钥分发,还不是绝对的单量子。
量子信息借助量子力学和信息学的种种突破,在理论上已经比较成熟。但需要通过实验和实践进行推动,我国在应用领域目前已经走在世界前列。
五、量子秘钥分发,理论上可以借用量子纠缠,也可以不用。实际应用中不会用到量子纠缠。
这个很容易理解,我们知道了不用量子纠缠就可以实现秘钥的安全分发,干嘛要用量子纠缠?并且制造量子纠缠态的成本很高,并且很难高效,批量的生成。
六、量子通信的最大安全距离不断提升
我们提到过,光子在光纤中损耗很大,基本20千米就是极限。每加长15千米,损耗就会加倍。依赖单光量子通信,很难实现远距离秘钥分发。
我们前边还提到过,可以基于诱骗太协议,实现单光子和多光子组合的方式传输,这使得远距离传输成为可能。2016年8月16日,墨子号量子卫星上天时,光纤中的安全传输距离已经超过了200公里。2016年11月,中国科学技术大学、清华大学、中科院上海微系统与信息技术研究所、济南量子技术研究院等单位合作,又把安全传输距离提高到了404公里,而且在102公里处的安全成码率已经足以保证安全的语音通话。也就是说,间隔102公里的量子保密电话已经是在技术上可行的了。
传统的光纤传输是通过中继的,在量子秘钥分发的方案中同样可以使用中继。
假设我们有一串节点,记作1号、2号、3号……,最后是n号。先在1号和2号之间建立量子通信,产生一个密钥,记作k1。然后在2号和3号之间建立量子通信,产生一个密钥,记作k2。2号把k1作为待传输的明文,用k2对它加密,传输给3号。3号同样把k1传输给4号,4号把k1传输给5号,……一路把k1传输给n号。最后1号把真正要传输的信息用k1加密,用任意的通信方式传给n号,就完成了。
京沪干线做的事情,就是在北京、济南、合肥、上海的内部量子网络的基础上,通过32个中继节点(包括两端)把它们连接起来。这样,就可以在2000公里的范围内,实现量子保密通信
还有一种中继方式就是通过卫星。通过卫星理论上是可以覆盖全球的,并且光在空中的损耗比光纤中小的多。但是长距离让光从地面对准卫星发射确实很难,首先距离远,其次光信号很微弱,你不能用强光,用强光意味着就是激光通信,就不是量子通信了。这个瞄准工作,被中国的科学家们完成了,对,就是用墨子号量子科学卫星做的。
➤延伸阅读 关于量子不可精确观测
量子加密通信主要是源于量子的不可精确测量和不可克隆。也就是说当你看到了量子的状态,量子由于你的观测就会改变原来的状态。要观察量子,你就需要感知它,我们不能通过眼睛观察,因为量子已经是能量的最小单位了,他不可能想宏观物体一样发光,发热让我们感知。我们要感知它,同样要使用光线(也是一堆光量子)对单个光量子进行相关影响的测量,但测量结果是无法精确的,并且会改变单个光量子的状态。
举个例子,大家肯定听过薛定谔的猫,就好比箱子里有个猫,猫是死是活没有“人”知道,如果打开箱子,箱子就会进入毒气将猫毒死。如果不打开,“人”永远不知道猫是死是活。
其实不可测量在经典物理中同样适用,只不过微乎其微罢了。比如黑暗中有个物体,你要测量它的质量或者运动状态,我们就需要光或者红外装置,甚至雷达波之类的照射物体。但是只要照射物体就会有光子对物体产生了影响,会发生微乎其微的质量、运动状态的变化。我们想一下,如果物体能量小到不能再小的时候,任何其他能量对其测量都会造成非常大的影响。这就是量子的不可精确观测。
接下来的内容,比较发散,也没有绝对的对错,有选择性的看吧。
人类认识的世界,永远都是建立在人们获取到的信息的基础上,人类无法感知的信息不是人类世界。有人认为薛定谔猫是死是活在非人类世界已经是事实,只是人类世界不知道,有这种观点的人是决定论支持者,也就是未来会发生什么都是已经注定了,就想你现在正在看这篇文章,正在质疑这种观点一样。还有人认为猫是死是活必须在人类世界决定,猫是死是活是一个概率事件,在被人类观测到之前,这只猫是一个死和活之间的中间态,这部分人认为世界是随机的。
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