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量子保密通訊,經典派陷入的N個誤區 精選

已有 3269 次閱讀 2019-5-2 07:36 |個人分類:大眾物理學|系統分類:科普集錦


 

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,都在爭些什么?》,隨后網上相繼又出現幾篇文章,頗為熱鬧了一陣。然而,關于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:經典派采用的是數學方法,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。

關于量子通訊的爭論,在網上雙方不相上下,而現實中經典派并沒有占得上風,有以下幾個因素。

 

戰略方面

從戰略上講,經典派托大了,沒有一個重量級的人物出來站臺。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。經典派沒有大佬站臺,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,所以不好站臺——從全局上看,表現出了經典派沒有大佬站臺。

 

戰術方面

從戰術上講,經典派自大了,甚至沒有一個人愿意想清楚量子派到底在說什么。如果說大佬們太忙,沒時間想這些細節,那么沖鋒在前的反對者,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。使用者為什么不能認為“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李紅雨:量子通信,媒體和公眾都需要刷新的認知),128位的密碼,通過理想的加密算法,能夠等效于2128位“異或加密”的密鑰長度,似乎是說經典派遠遠強于量子派了。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?梢宰鲆淮我幻,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——為什么限制我?

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,而經典派卻不這么認為。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,那么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么。

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。而這方法并不現實,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里,用電吹風把這個永磁體干掉?

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!逼鋵,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,就是因為這種條件并不是時時都能夠滿足的。

 

相關物理知識

光是電磁波,電磁場在垂直于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于這個特殊方向時,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,對于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后,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,然后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復雜一些,因為要考慮統計漲落和環境噪聲等因素)。張三和李四傳遞信息,王麻子只能干瞪眼:他要么不干預,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范圍內,很容易被檢測到。至于說李紅雨提到的“非線性晶體下自發參量下轉換攻擊”,以及其他人說的“激光器就能大量復制光子”,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。

 

上面選用的來自于李紅雨文章的例子,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,哪里會出來反對?

 

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

 

后記:

這是我為《返樸》寫的一篇科普文章,繼續談談我對量子通訊爭議的看法。4月29日發布在《返樸》的微信公眾號上。

這篇文章選用了李紅雨的文章作為例子,只是因為這篇文章比較全面,比較有代表性。文章發表以后,引來了一些評論,李紅雨老師的評論更是多達六七條。我覺得,很多人讀不懂文章,主要是因為他們分不清什么是應然(should be),什么是實然(be)。

 

回復本文后面的評論,特別是李紅雨老師的評論。

我這篇文章是描述現狀的。而從你的回答來看,我這篇文章很好地描述了現狀:

經典派沒有大佬站臺,這是事實,你承認的;

經典派不認為能夠發現有人偷聽是個優點,這也是你承認的;

經典派認為量子派不應該采用經典算法(不能撈過界),這也是你承認的:

經典派認為金賢敏對他自己工作的解讀是不正確的,這也是你承認的;

我說你們可能會認為我在曲解你的說法,這個預言也得到了你行動的承認。

我舉出了嚴格的例子證明了你的錯誤,但你還是不承認:

我說你的加熱去磁是不可能實現的,然后你跟我講蜘蛛俠;

我說你的參數下轉換過程不能確定單光子的偏振態,然后你給我講你的新猜想;

我說有些經典派認為“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,然后你給我講量子不可克隆原理的證明是錯誤的。

好了,你的所有這些表現,確實證明我對現狀的描述是正確的。


量子派的優點是,有人偷聽就可以找出來。這件事重要不重要,是由使用者決定的,我們不能越俎代庖。




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