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量子通信是骗局吗?
2020-04-01 13:16:23
来源:智商税总局(微信公号) 作者:jimmy、完颜兀
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摘要
QKD在量子态塌缩时可以被及时发现。这样的特性也导致一旦有人企图窃听或者干扰,系统将完全无法进行通信。换而言之,目前的量子通信不是稳定的通讯方式,牺牲稳定性换取对窃听的监测。

  “墨子号”卫星在2019年12月30日实现了与地面站的对接。完成对接后,“墨子号”可以分发密钥,济南地面站接收后可以进行密钥试验。曾几何时,某两个重点城市之间试建“量子通信”干线,最近听说这个“量子通信”工程没了下文。

  发射卫星,这是否意味着“量子通信”已经成功应用?非也。

  在量子力学里,当几个粒子在彼此相互作用后,由于各个粒子互相之间的作用改变了单个粒子本体的性质,现象只能描述粒子整体系统的性质,该现象被称为量子纠缠(quantum entanglement)。

  简单的说,假设有一个粒子衰变为两个以相反方向移动的粒子。对其中一个粒子进行测量,如果自旋方向为上旋,则另外一个粒子的自旋必定为下旋。当对其中一个粒子做测量,另外一个粒子似乎知道测量动作的发生与结果,尽管两个粒子相隔甚远。

  量子纠缠的现象启迪了我们,给我们提供了一种实现通信的可能。如果能够基于量子纠缠传输信息,所有信息一旦被扰动则必然丧失原态,换句话说就是能够实现信息的绝对安全。

  但这种实现谈何容易。因为量子纠缠的本质是量子波动性的干涉叠加,即使多个纠缠的粒子分离,仍然会处于叠加状态。

  这并不能应用于通信,因为一旦对粒子进行观测,就会导致粒子的叠加态坍缩。人类并不能用宏观意义上的“看”来观测微观粒子,“观测”本身就是外力施加于粒子使其出现某种现象,既然是外力施加,就必然改变粒子原来的状态。

  所以,尽管量子纠缠态不受距离限制,却无法用来通讯。所以,就有网友说“潘建伟”的量子通信是骗局。

  

 

  潘组实现的量子通信,本质上是量子密钥分发QKD(Quantum Key Distribution),而不是完全基于量子纠缠的隐态传输。他们主要贡献是实现了基于BB84的QKD协议。

  理论上是通过量子纠缠态在发送和接收双方进行密钥协商,然后用密钥key加密数据,被加密信息在经典信道(以太网、无线通信、激光通信等等普通的通信方式)上进行传输。

  也就是潘组实现的量子通信,必须要依赖传统的通信方式。从计算机科学角度看,就是对称密钥加密;从电子工程角度看,就是弱偏振光脉冲发送密码子。

  QKD发送的实现方法是使用弱偏振光脉冲,所谓的“单光子”。光是量子化的,任何光源发出的光,只要衰减足够的倍数,就可以视为单光子源。

  使用普通激光器,就可以用作单光子源,比如脉冲激光器。在脉冲激光器里,每个脉冲的能量是一定的,每个脉冲包含的光子数目也就是大致不变的。

  有了单光子源之后,使用偏振片进行“量子态制备”,本质上就是让弱偏振光脉冲通过偏振片形成不同偏振态进行信息编码,然后传输密钥信息。他们称呼的“量子态”在实现上就是偏振。

  

 

  纠缠光子对里的一个发送给接收者,另一个纠缠光子通过发送方的偏振片测量获得光子状态(波塌缩),由于发送方光子状态确立,接收方的光子也因为纠缠机制变成确定的对应状态,光子经过偏振就是测量。发送方和接收方的偏振片随机选择。

  也就是从实现上讲,量子通信本质上就是“基于普通物理的弱偏振光密码传输”。

  量子密钥分发QKD的安全性完全来自于波函数塌缩。一旦有第三方对密钥分发信道进行窃听,观测会导致携带信息的量子态塌缩,使得接收方无法正确接收到信号。

  相比经典通信方式不能发现窃听,QKD在量子态塌缩的时候可以及时发现。这样的特性也导致一旦有人企图窃听或者干扰,系统将完全无法进行通信。换而言之,目前的量子通信不是稳定的通讯方式,牺牲稳定性换取对窃听的监测。

  2017年量子卫星“墨子号”的实验结果并不能满足实际使用需求,600万个弱偏振光脉冲只检测到了一组纠缠,使得比特率(bitrate)极低。

  量子信道信噪比SNR大约-60dB。由于比特率低所以目前不能实现“一次一密”。卫星和地面的加密数据通信采用了激光通信,光需要穿越大气层,通信质量受天气影响巨大,下雨、多云都会导致信噪比SNR降低。

  城域的范围内,按照郭光灿院士的说法“目前达到的实际水平是:在百公里范围的城域网,量子密码体系可以做到密钥分配在现有技术保证的各种攻击下是安全的,安全密钥生成率在25公里可确保高清视频‘一次一密’,在100公里内能确保音频、文字、图片等的‘一次一密’。”

  所以,短距离量子密码或者QKD是相对安全的通信方式。超过城域而筑建的任何城际量子密码网络,目前仍无法确保其安全性。

  现在通常使用的是“可信中继”,其安全性依赖于人的因素,所以安全程度不会超越现有的传统加密。远程量子密码只有采用“量子中继”才能确保其安全性,而“量子中继”的研制受到可实用的量子存储器和确定性纠缠光子源的限制,目前仍然处于基础研究阶段。

  参考文献

  ⑴H. Bennett, Charles & Brassard, Gilles. (1984). WITHDRAWN: Quantum cryptography: Public key distribution and coin tossing. Theoretical Computer Science - TCS. 560. 175-179. 10.1016/j.tcs.2011.08.039.

  ⑵Scarani, Valerio, H. Bechmann-Pasquinucci, Nicolas J. Cerf, Miloslav Dusek and Momtchil Peev. “The Security of Practical Quantum Key Distribution.” (2009).

  ⑶Lo, Hoi-Kwong. "Foiling Quantum Hackers." Physics 6 (2013): 104.

  ⑷Yin, Juan, et al. "Satellite-based entanglement distribution over 1200 kilometers." Science 356.6343 (2017): 1140-1144.

  ⑸Pan, Jian-Wei, et al. "Experimental entanglement swapping: entangling photons that never interacted." Physical Review Letters 80.18 (1998): 3891.

  ⑹http://lqcc.ustc.edu.cn/index/info/755

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