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          首顆量子科學(xué)實驗衛(wèi)星的升空引來中外各界人士的關(guān)注，正面積極的評價是主流。當(dāng)然也免不了有一些批評和質(zhì)疑的聲音，這在一個相對開放的社會也十分正常，有時候也是有益的。但是最近網(wǎng)絡(luò)上有兩個質(zhì)疑量子通信的觀點(diǎn)是非常錯誤的，散布這些觀點(diǎn)的人士又是密碼學(xué)專家，這就更值得認(rèn)真分析和辨駁，把真相還給大眾。

反對量子通信的主要理由是：通信的首要目的是穩(wěn)定性，傳統(tǒng)的通信手段即使有安全隱患但至少能保證穩(wěn)定的信息交流，而量子通信的信號安全是以犧牲通信的穩(wěn)定性為代價的，有了敵手就干不成事的量子通信系統(tǒng)最終也只能淪為一個擺設(shè)。

這種穩(wěn)定壓倒安全的謬論貌似有理，實則上是根本經(jīng)不起推敲的。試問：一條重要軍事行動的指令，或者是一件絕密外交文件，難道傳達(dá)到位是首要任務(wù)，信息安全是次要的？信息無論如何先要送出，寧可全軍覆滅，寧愿自己的戰(zhàn)略情報員被暴露？

當(dāng)然通信的穩(wěn)定可靠也重要，雖然軍事行動的保密性始終是第一位的，但命令不能及時上傳下達(dá)當(dāng)然也不許可。而量子通信確實是穩(wěn)定可靠的，至少一點(diǎn)也不比傳統(tǒng)方式差。反對量子通信的人士總把量子通信描述得像紅樓夢中的林妹妹一樣弱不禁風(fēng)，他們的邏輯是：精密復(fù)雜的系統(tǒng)都是不穩(wěn)定的，依靠單個光子工作的量子通信是極其精密復(fù)雜的，因而量子通信是不穩(wěn)定的。錯！這個三段論推理錯在前提上。今日天空中的飛機(jī)和家中的電視機(jī)比上世紀(jì)的都要精密復(fù)雜得多，誰說它們沒有以前的穩(wěn)定可靠？我是做計算機(jī)出身的，七十年代出廠的DJS-130小型計算機(jī)，使用單位必須組建一個小組來維護(hù)，今天你我手中的計算機(jī)不知要比它精密復(fù)雜多少倍，哪里又不穩(wěn)定不可靠了，難道你家中也請了一個電腦維護(hù)班？

下面作更深入一點(diǎn)的分析，以證明量子通信實際上是可以做得穩(wěn)定可靠的，至少一點(diǎn)也不比傳統(tǒng)通信方式差。不少人認(rèn)為量子通信靠的是單光子傳輸，竊聽者的行為改變了光子的狀態(tài)，會中斷正常的通信。又錯！量子通信其實只是分發(fā)對稱密鑰，通信雙方首先取得一致認(rèn)可的對稱密鑰，雙方隨后的大量信息交換實際上是在傳統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行的，當(dāng)然這些信息都是經(jīng)由上述的對稱密鑰加密和解密，得到了充分的保護(hù)。既然量子通信中信息的傳輸仍然在傳統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)上，為什么它是不穩(wěn)定的呢？

那么竊密者干涉破壞量子密鑰分配，又會帶來多少不穩(wěn)定因素呢？首先應(yīng)該指出，盡管量子密鑰分配訊道上存在各種技術(shù)和人為的干涉，許多傳送的光子要丟棄，傳輸效率不高，但BB84通信協(xié)議就是按照這樣的環(huán)境來設(shè)計的，“傳輸效率低”不能等同于”不穩(wěn)定”，只要有足夠的時間，總能得到充分多的絕對可靠的的對稱密鑰。有時候得到的密鑰還可以編好號貯存起來，以備不時之需。嚴(yán)格來說，通信訊道的評估用的是平均速率、瞬間最高速率和響應(yīng)時間等參數(shù)，并沒有穩(wěn)定性的說法，也不知所謂穩(wěn)定性的量綱又是什么。

讀到這里，反對量子通信的可能真有些絕望了，但他們還有最后一招的：我暴力干涉，秒秒分分不停頓，天天月月無休止，讓你根本無法交換密鑰，看你怎么辦，這種圖窮匕見的手段有用嗎？

試問誰又有這樣的能力（暴力？）長時期阻斷量子密鑰傳輸線路？局外人根本做不到，難道挺而走險，剪斷光纖，設(shè)立偽中繼站？這些手段最多得逞于一時，終究難逃法網(wǎng)恢恢。我對中國最近的情況不太熟悉，但對美國的聯(lián)邦郵政法和聯(lián)邦通訊法規(guī)的嚴(yán)格和完善還是略有所知，這種局外的暴力阻斷光纖或設(shè)立偽中繼站案件真的是聞未所聞，我也勸有這樣想法的人及時回頭。

如果系統(tǒng)中有內(nèi)鬼怎么辦？坦白說，量子密鑰分配技術(shù)防的就是內(nèi)鬼，更準(zhǔn)確的說是串通外鬼的內(nèi)鬼。因為只要有人在量子密鑰分配信道上竊聽，不管他是外鬼、內(nèi)鬼、什么鬼（英文使用Eve一詞，非常傳神），只要竊聽必被察覺，這部份密碼位全部丟棄，什么損失也不會造成。真正做到“若要人不知，除非己莫為。”這才是密鑰配送安全的根本保證，通信雙方有了安全可靠的對稱密鑰，安全穩(wěn)定地交換信息根本沒有任何問題。

反對量子通信的另一理由是：目前的公鑰密碼系統(tǒng)很安全，量子計算機(jī)的威脅是一種忽悠，研究發(fā)展量子通信完全是瞎折騰。

首先必須指出，公鑰密碼系統(tǒng)的安全問題由來已久，遠(yuǎn)在量子計算機(jī)概念出現(xiàn)之前。常用的公鑰密碼（如RSA）就被聯(lián)網(wǎng)的個人電腦群攻破，只要用谷歌搜一下，立馬知道公鑰密碼系統(tǒng)并不安全。最近美國技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)局強(qiáng)烈建議把RSA公鑰從1024位提高到2048位，如果公鑰密碼系統(tǒng)真的沒有問題，他們何必多此一舉。提高公鑰密碼位數(shù)極大地增加了加密和解密所花的時間，給日常的應(yīng)用帶來了諸多不便，卻并沒有從根本上阻止黑客攻擊的熱情和力度，提高公鑰位數(shù)給使用者増?zhí)淼睦щy遠(yuǎn)超對黑客的阻力，這就是公鑰密碼問題之所在。

正當(dāng)公鑰密碼系統(tǒng)處于風(fēng)雨飄搖、四面楚歌時，2014年的一條爆炸性新聞更是震驚了密碼學(xué)界，從美國國家安全局叛逃的斯諾登披露了安全局有一個絕密的項目 Penetrating Hard Targets，計劃建造一臺破解公鑰密碼的專用量子計算機(jī)。如果現(xiàn)在誰還相信公鑰密碼系統(tǒng)是安全的，請自己去美國國家安全局的網(wǎng)站，先看看他們是如何在處理這場危機(jī)的[1]。

再讓我們看看密碼學(xué)術(shù)界的動態(tài)，請先看下圖：密碼學(xué)界已經(jīng)明確把公鑰密碼系統(tǒng)分成兩大類，左列中都是目前常用的公鑰密碼，全被打入“量子可破”的死域。

圖中右列確有幾種公鑰密碼理論方法被列為“量子不可破”。但是請注意：1）它們只是目前還未被攻破，并非被證明“量子不可破”。2）它們?nèi)繘]有進(jìn)入實用階段，甚至未進(jìn)入應(yīng)用初期開發(fā)階段，很可能最后根本沒有實用價值。

在“量子不可破”的公鑰密碼系統(tǒng)中最受關(guān)注的是“lattice-based crypto ”（基于阻格的加密法），密碼學(xué)界對該方法的研究已經(jīng)有二十多年了，但始終在應(yīng)用上沒有取得突破。其問題的本質(zhì)是：該算法太復(fù)雜，運(yùn)行效率低得無法使用；算法加以簡化后，效率大幅提升，幾乎可以與RSA媲美，但是出現(xiàn)了嚴(yán)重的安全隱患。數(shù)學(xué)家還在公鑰密碼的效率和安全的兩難中受煎熬，密碼學(xué)權(quán)威Hoffstei說得好：宇宙就是一個煎熬之地，密碼學(xué)研究就是一個最好的例證[2]。由此可知，純粹應(yīng)用數(shù)學(xué)方法改善公鑰密碼系統(tǒng)的前景十分黯淡。

讀到這里，不難明白現(xiàn)有公鑰密碼系統(tǒng)絕非固若金湯。反對發(fā)展量子通信的人士可能會說，至少公鑰密碼現(xiàn)在還沒有被量子計算機(jī)攻破，著什么急？持這種觀點(diǎn)和態(tài)度實在要不得。

首先，公鑰密碼與量子計算機(jī)是美國國家安全局的最高機(jī)密，這方面的進(jìn)展，外人無從了解，退一步，即使公鑰密碼今天還沒有被量子計算機(jī)攻破，很難保證以后也攻不破。如果現(xiàn)在不發(fā)展量子通信技術(shù)，刀槍入庫、馬放南山，假如五年后公鑰密碼被專用量子計算機(jī)攻破怎么辦？從頭開發(fā)一種全新的密碼系統(tǒng)從試驗、推廣到投入應(yīng)用至少要十多年，這段時間中就只能裸奔了。

應(yīng)該認(rèn)識到，在如此嚴(yán)峻的國際態(tài)勢下，而目前的公鑰密碼系統(tǒng)又危機(jī)四伏，國家只能從最壞處著想，全力以赴創(chuàng)建自己的全新的密碼安全系統(tǒng)，這是唯一正確的選擇。人無遠(yuǎn)慮必有近憂，千萬不能抱有僥幸心理，不可彷徨猶豫、患得患失，錯失時機(jī)將后患無窮。認(rèn)準(zhǔn)方向堅定不移地發(fā)展自已的量子通信技術(shù)，這才是一個獨(dú)立自主的大國應(yīng)該有的抱負(fù)和責(zé)任。

量子密碼技術(shù)的應(yīng)用和推廣肯定不會一帆風(fēng)順，但這決不能成為反對發(fā)展量子通信的理由。有人認(rèn)為在量子通信方面歐美都沒有大的動作，憑什么中國走在前面，中國一定是錯了。照這個邏輯，美國都沒有高鐵網(wǎng)，中國怎能建高鐵？這種論調(diào)似曾相識，中國高鐵開建前后，這樣的聲音也曾經(jīng)不絕于耳。記得當(dāng)時有這樣一種很流行的說法：高鐵上不少部件和材料是從西方買來的，人家都不建高鐵，中國為什么建？現(xiàn)在同樣的論調(diào)又來了：量子通信中使用的一些零件和儀器設(shè)備是西方進(jìn)口的，他們都不建大規(guī)模的量子通信網(wǎng)絡(luò)，中國為什么要建？

有必要再次強(qiáng)調(diào)：與其它密碼技術(shù)不同，量子密鑰分配技術(shù)從原理上保證密鑰配送是絕對安全的，量子通信是穩(wěn)定可靠的，加速發(fā)展量子通信是十分必要的，因為現(xiàn)有密碼系統(tǒng)已經(jīng)到了最危險的時刻。工程實施中一定會有許多的問題，但原理與實施是完全不同的兩個概念，畢竟實施中的技術(shù)問題可以逐步解決，不可破譯的原理才是該項技術(shù)具有發(fā)展前途的根本保證，它使我們對量子密鑰分配技術(shù)的將來充滿了信心。

最后，也談?wù)劻孔油ㄐ判l(wèi)星的技術(shù)會有哪些困難，是否可以克服。

隨著全球首顆量子科學(xué)實驗衛(wèi)星墨子號的升空，量子通信再次成為媒體關(guān)注的熱點(diǎn)。筆者此前連續(xù)發(fā)表了兩篇文章，第一篇文章對密碼學(xué)的基本知識和發(fā)展進(jìn)程作了較全面系統(tǒng)的介紹，分析了傳統(tǒng)公鑰密碼所面臨的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，指出尋找新的安全通信方法已經(jīng)刻不容緩。第二篇文章介紹了量子密鑰分配技術(shù)，量子不可克隆原理為對稱密鑰的安全傳送提供保證，通信雙方用協(xié)商取得的對稱密鑰對文本加密和解密，從而可以安全放心地在公共網(wǎng)絡(luò)上交換信息，量子通信的本質(zhì)和核心就是量子密鑰分配技術(shù)。

量子密鑰分配技術(shù)是通過單個光子的傳輸來配送密鑰的，而單個光子在光纖中傳輸?shù)淖畲缶嚯x只有一百多公里，這就是量子密鑰分配技術(shù)在光纖上的傳送距離極限，這個問題嚴(yán)重制約了該技術(shù)的推廣應(yīng)用。目前的解決方案是設(shè)立中繼站。這種可信任光子中繼站與通常光通訊的放大中繼有著本質(zhì)的區(qū)別，因而要復(fù)雜很多。據(jù)今年兩會報導(dǎo)，連接北京和上海的量子密鑰分配光纖網(wǎng)絡(luò)將于今年下半年開通運(yùn)行，估計使用的就是可信任光子中繼站方案。

利用衛(wèi)星做自由空間光量子傳送，可能成為拓展光量子密鑰分配網(wǎng)絡(luò)的重要途徑。衛(wèi)星可以輕易突破地面光子中繼站一百多公里的距離極限，為上千公里的量子密鑰配送提供中繼，將來構(gòu)建跨洲的全球廣域量子通信網(wǎng)絡(luò)看來必須依靠衛(wèi)星。

事實上利用衛(wèi)星為微波通信和激光通信提供中繼接力也算不上什么高新技術(shù)，但是讓衛(wèi)星提供量子通信中繼確實是前無古人的創(chuàng)新之舉，量子密鑰分配靠的是單光子，單個光子在地面站和衛(wèi)星之間雙向發(fā)送和接收構(gòu)成嚴(yán)酷的技術(shù)挑戰(zhàn)。星地之間的瞄準(zhǔn)和衛(wèi)星姿態(tài)的精確控制都非常不容易，而最大的麻煩來自大氣層。

信號光衰減：大氣層會吸收光，這會造成信號的衰減。垂直方向還好些，大氣層只有10公里，水平方向的大氣層大約有100公里，損耗增大了許多。主要解決手段是選擇適當(dāng)?shù)募す獠ㄩL，讓其處于所謂的大氣窗口中，也就是選擇大氣吸收率最小的波長范圍。

光路徑畸變：大氣層使得光的傳播路徑偏離直線，而且會隨著天氣變化。采用自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)，可以解決這個問題。主要想法是發(fā)射一束很強(qiáng)的導(dǎo)向光，測量這束光到達(dá)時的性質(zhì)，可以推斷出大氣層對光路徑的影響（實時動態(tài)的影響），然后相應(yīng)地調(diào)節(jié)信號光的發(fā)射光路。

背景光散射：大氣層會散射光，這樣會增大背景噪音。同時采用以下幾種技術(shù)可以克服這個困難：濾光片，共聚焦和探測器定時工作。

面臨各種困境，也只能是“兵來將擋、水來土掩”了，所謂工程技術(shù)其實也就這么回事，難嗎？難。但是與探測引力波的技術(shù)相比，則是小巫見大巫了，至少量子通信衛(wèi)星的技術(shù)還是要靠譜得多，也更有實用價值。按物理學(xué)常識可以作一個初步的估算，星地之間的量子密鑰分配的速度大約可達(dá)每秒10K比特左右，離開實用并不遙遠(yuǎn)。還是那句老話：道路是曲折的，前途是光明的。我對量子通信技術(shù)的發(fā)展前景充滿信心。

有必要指出，這次升空的僅是科學(xué)實驗衛(wèi)星，并不是直接用于構(gòu)建廣域量子通信網(wǎng)的。我估計這顆衛(wèi)星的主要用途是對自由空間光量子長距離傳送的各種模型進(jìn)行驗證，收集更多的與單光子傳送有關(guān)的大氣層數(shù)據(jù)，同時也會進(jìn)行有關(guān)超長距離量子糾纏方面的物理實驗，為下一步的工程設(shè)計打下堅實基礎(chǔ)。總之構(gòu)建廣域量子通信網(wǎng)絡(luò)仍任重道遠(yuǎn)，衷心希望在2030年左右，中國能率先建成全球化的量子通信網(wǎng)絡(luò)。

[1]On August 11（2015）,the National Security Agency updated an obscure page on its website with an announcement that it plans to shift the encryption of government and military data away from current cryptographic schemes to new ones, yet to be determined, that can resist an attack by quantum computers.

[2]As for why extreme efficiency and perfect security appear to be so diametrically opposed, Hoffstein said: “The universe is an irritating place, and this is just another example of it.”