量子通訊爭議的雙方是經(jīng)典派和量子派，他們對保密通訊有兩種不同的看法：經(jīng)典派采用的是數(shù)學(xué)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。最近幾年，量子派在學(xué)術(shù)界的風(fēng)頭很勁，而經(jīng)典派只能在網(wǎng)上搞些爭議。
上次我在《量子保密通訊，經(jīng)典派陷入的N個誤區(qū)》中提到，量子通訊爭議中，經(jīng)典派在戰(zhàn)略上太托大（沒有重量級的人物站臺），在戰(zhàn)術(shù)上太自大（對量子密鑰傳輸?shù)募夹g(shù)細(xì)節(jié)研究不夠透徹，與量子物理學(xué)的理論基礎(chǔ)相悖），所以在辯論中落在下風(fēng)、搞得灰頭土臉的。
那么大家就要問了：照你這么說，量子派完勝！還爭議啥？散了散了，都回家吃瓜算了。然而，事情并沒有這么簡單。
量子派的罩門在哪里？
成也蕭何，敗也蕭何。
天底下沒有完美無缺的事情，有一利必有一弊，量子通訊也不例外，量子派同樣是既有優(yōu)點(diǎn)，也有缺點(diǎn)。在我看來，量子派一大優(yōu)點(diǎn)是宣傳搞得好，而最大的缺點(diǎn)是宣傳搞得太好了。
量子派的優(yōu)勢
首先，量子通訊的宣傳確實(shí)搞得好，這為量子通訊成為一個熱門社會話題立下了大功。
貝爾不等式把量子力學(xué)的爭論從哲學(xué)思辨領(lǐng)域帶入了實(shí)驗驗證領(lǐng)域，BB84協(xié)議第一次給出了一種理論上的方法檢驗是否有人在偷聽，這些都是了不起的理論貢獻(xiàn)，其具體實(shí)現(xiàn)也是偉大的實(shí)驗進(jìn)展。然而，自從在實(shí)驗室驗證了BB84協(xié)議，之后的發(fā)展都是直截了當(dāng)?shù)模涸囉貌煌膯喂庾釉矗蛘邠Q用糾纏光子源；提高單光子源或糾纏光子源的效率；用單光子干涉態(tài)替換偏振態(tài)；試用不同的單光子探測器并提高其效率；改用新的通訊協(xié)議（如誘騙態(tài)協(xié)議）；延長量子通訊的距離。但這些主要是工程方面的進(jìn)展，以延長通訊距離為例，如果張三和李四能夠在一個屋子里實(shí)現(xiàn)量子通訊，那么他們搬到馬路對面的兩個屋子里，在一個城市的兩端，兩個不同的城市，甚至一個在天一個在地，張三和李四采用的設(shè)備都不用變化，需要考慮的問題只是光信號的損耗——光纖通訊中光纖的吸收或者自由空間通訊中光的衍射和空氣的吸收。其中確實(shí)有很多非常有挑戰(zhàn)性的工程問題，但都難以算是科學(xué)問題，不知道為什么會那么引人注目。
再看看關(guān)于量子通訊“漏洞”的討論。量子通訊領(lǐng)域討論的攻擊，都是極限狀態(tài)下的攻擊，給王麻子的權(quán)限非常高，只要不違反自然規(guī)律，都可以使用——有時甚至賦予他一些超自然的力量。例如之前說過的“探測器致盲攻擊”和“注入攻擊”，王麻子發(fā)出一束很強(qiáng)的光照進(jìn)張三或者李四的工作室里，可是張三和李四愣是“裝作沒看見”，煞有介事地討論王麻子造成的“漏洞”問題。再如“光子數(shù)分離”（PNS）攻擊，王麻子不但擁有神奇的“剝皮”功能（從同時過路的幾個光子中“扣下”一個或幾個，還能讓剩下的幾個毫發(fā)無損地“走人”）和強(qiáng)大的量子存儲能力（長時間的把光子保存下來，因為必須等到張三和李四用大喇叭喊話以后才能進(jìn)行測量），還要具有逆天的無損耗傳輸光子的能力（否則王麻子扣下一個光子，李四在那邊數(shù)數(shù)就會發(fā)現(xiàn)自己經(jīng)常性地丟失光子——肯定是有人搗亂了），這種通敵行徑簡直是“令人發(fā)指”。量子派唯一的底線是承認(rèn)，完全的中間人攻擊是無法抵抗的，但這相當(dāng)于說王麻子切斷張三和李四之間所有的通訊途徑（不管是量子的還是經(jīng)典的，不管是喊大喇叭，還是遞小紙條），這完全是予取予求的架勢，根本不是勢均力敵的對抗。
更別說那些經(jīng)常出現(xiàn)在科普文章里的量子力學(xué)（特別是量子糾纏）的神奇解釋了。這種討論進(jìn)行得熱火朝天，仿佛連玻爾和愛因斯坦都恨不得從天堂里跳下來，抱著薛定諤的那只貓來參加討論。
現(xiàn)在有些明白了，這些都是宣傳的技巧。量子派激烈地討論這個“漏洞”、那個“攻擊”，給王麻子賦予各種神奇的能力，其實(shí)是因為量子通訊在發(fā)現(xiàn)是否有人偷聽這方面毫無漏洞，而其真正的短板在其他方面：一是信息的傳送速率太低、可能會讓人急死；另一個是量子通訊只是信息安全系統(tǒng)這個整體的一部分，并不能包打天下。
所以說，量子派依靠宣傳成功地將人們的注意力集中在了它最擅長的方面：發(fā)現(xiàn)偷聽者。
量子通訊的短板
量子派當(dāng)然也知道自己的短板，也在努力想辦法。例如，真正的高效率的單光子源（每次按需發(fā)射1個且只有1個光子）目前還沒有實(shí)現(xiàn)，大多是用衰減脈沖激光束的方法近似實(shí)現(xiàn)，如果衰減足夠大，就可以近似地看成單光子源，如平均每束光里只有0．1個光子，也就是說，每10次發(fā)射只有1次有1個光子，其他9次都是空的，那么100次發(fā)射才會出現(xiàn)1次有2個光子的情況（以此類推，1000次中有10次2個光子，1次3個光子，等等），如果覺得還不夠，就讓每束光里只含有0．01個光子（發(fā)射100次，只有1次有光子，其他99次都是空的）。這樣能夠滿足BB84協(xié)議的要求，但是傳輸效率太低。為了提高傳輸效率，就要提高每束光里的平均光子數(shù)，但是，一次發(fā)射出現(xiàn)多個光子的次數(shù)就會顯著增多，為了抵御“光子數(shù)分離”攻擊，才提出了誘騙態(tài)協(xié)議。簡而言之，BB84協(xié)議是，0個和1個有顯著的差別，有就是有、沒有就是沒有，誰都別想騙我；誘騙態(tài)協(xié)議是，1個和3個（隨便說的一個數(shù)，只要這個數(shù)很小就可以了）也有些差別，王麻子拿走一個兩個的，我還是能發(fā)現(xiàn)的。在誘騙態(tài)協(xié)議里，每次發(fā)射的平均光子數(shù)仍然是1的量級（例如0．5或者0．7，絕對不是10或者100，丟了一個還是會有顯著結(jié)果的），但是已經(jīng)比0．1和0．01好得多了，而且也能夠發(fā)現(xiàn)是否有人在偷聽。
正是因為有了誘騙態(tài)協(xié)議，量子通訊的有效傳輸范圍才能夠從二三十千米拓展到上百千米。京滬干線總長度是2000多千米，有32個中繼站，兩站之間的距離約是七八十千米。利用糾纏光子源，可以讓張三和李四的通話距離加倍，因為糾纏光子源位于這兩個人的中間，同時向他們各自發(fā)射一個偏振關(guān)聯(lián)的光子（糾纏光子對就是這個意思）。這種方法能夠達(dá)到的距離是有上限的，主要來自于傳輸過程中的光損耗：基于光纖的量子通訊系統(tǒng)，目前最遠(yuǎn)的傳輸距離是400千米，而傳碼率只有可憐的每小時1比特；基于墨子號衛(wèi)星的系統(tǒng)，兩年前大約是每秒1萬比特（我在衛(wèi)星發(fā)射前的估計是每秒鐘幾千比特），現(xiàn)在據(jù)說達(dá)到了每秒40萬比特（這個可能是基于單光子通訊的星地傳輸，而不是地面兩個基站之間通過衛(wèi)星中介的信息傳輸）。
至于量子通訊只管張三和李四這一段，如果組成通訊網(wǎng)絡(luò)必須考慮各個站點(diǎn)的保密問題，這是顯而易見的，量子派肯定知道這一點(diǎn)，而且并不覺得這真的是個問題——只要采用經(jīng)典派現(xiàn)成的技術(shù)就可以了。量子通訊并不是只能用量子方法，量子方法只是整個信息安全體系的一個有機(jī)部分。為了系統(tǒng)的總體目標(biāo)，當(dāng)然是可以無所不用其極——你憑什么限制我？
但是話說回來，量子派在成功宣傳的同時，也留下了一些后患——他們的宣傳太成功了，讓很多人（包括出來反對量子派的經(jīng)典派人物）以為，量子通訊具有“絕對安全性”、甚至能夠包打一切，結(jié)果量子派給自己挖了一個坑，一個很深很大的坑。
孰吉孰兇？孰去孰從？
說到這里，不免想戲謔一下經(jīng)典派和量子派。上次我們提到：因為出來唱反調(diào)的經(jīng)典派犯了一些非常簡單的錯誤，還試圖推翻量子力學(xué)的基礎(chǔ)，簡直不忍直視，看上去就跟量子派的“托兒”似的——好像就是為了制造有爭議的假象，讓人們的注意力集中在量子派的優(yōu)勢方面。不過“經(jīng)典派”可能也棋高一著呢，他們一直沒有大人物出來站臺，也許是因為大人物早就看清形勢了：你們量子派鬧得再兇，也不可能包打天下，將來還是要用經(jīng)典方法和經(jīng)典網(wǎng)絡(luò)。
我覺得，量子通訊爭議這件事有些像談戀愛。天天到公主窗前送鮮花、唱情歌的，并不一定能抱得美人歸。就算你歌唱得再好、海豚音飚得再高，也只能贏得吃瓜群眾的喝彩，而真正的白馬王子可能早就登門入室、與公主共進(jìn)燭光晚餐了——人家才不會出來和你賽歌呢，最多給你個神秘的微笑。
量子派也許只是個飆海豚音的，人家經(jīng)典派才是真正入洞房的！
簡而言之，量子派既有優(yōu)點(diǎn)，也有缺點(diǎn)。量子派最大的優(yōu)點(diǎn)是宣傳搞得好，成功地將人們的注意力集中在他最擅長的方面——發(fā)現(xiàn)偷聽者。量子派最大的缺點(diǎn)是宣傳搞得太好了，成功地讓許多人以為，量子通訊具有“絕對安全性”、甚至能夠包打一切，給自己挖了一個坑，一個很深很大的坑。
上次說過，現(xiàn)在關(guān)于量子通訊的爭議雖然很熱鬧，但怎么看都像雞同鴨講，讓人看了著急！現(xiàn)在我們看到，經(jīng)典派有經(jīng)典派的誤區(qū)，量子派有量子派的罩門，那么，量子通訊爭議將來會怎么發(fā)展，也就顯而易見了。
量子通訊爭議：將來會怎么樣？
兵者，詭道也。故能而示之不能，用而示之不用，近而示之遠(yuǎn)，遠(yuǎn)而示之近。
談?wù)撐磥砜偸俏ｋU的——因為誰也不是神漢轉(zhuǎn)世。我也只能就幾個問題談?wù)勛约旱目捶ā?/p>
量子通訊網(wǎng)絡(luò)的成本
先簡單估計一下量子通訊網(wǎng)絡(luò)的成本。估計數(shù)量級是學(xué)物理的基本功，估計值與實(shí)際值差個三五倍很正常，但如果拿去討論工程造價，肯定是笑話了——權(quán)當(dāng)娛樂好了。
量子通訊的基礎(chǔ)是量子不可克隆定理，而這個定理反過來又限制了光子的完美復(fù)制，所以我覺得，量子中繼器是造不出來的（再次強(qiáng)調(diào)，這是個人觀點(diǎn)，我也不認(rèn)可基于“量子芝諾效應(yīng)”之類的量子中繼器），這就限制了量子通訊單次傳輸?shù)淖畲缶嚯x：基于光纖的量子通訊大約是100千米，基于衛(wèi)星的量子通訊大約是1000千米。
我國的陸地面積是1000萬平方千米，那么覆蓋全境的光纖網(wǎng)絡(luò)需要1000個基站，總計長度20萬千米的光纖，假設(shè)一個基站造價100萬人民幣，一千米光纖1萬，大概要30億。考慮到現(xiàn)在的光纜里面都是幾百根也許更多的光纖，一次還可以鋪設(shè)不止一條光纜，而量子通訊只不過用一根光纖，以后還有同時使用幾個不同波長的可能性，所以鋪設(shè)光纖網(wǎng)絡(luò)的真實(shí)成本可能還要低。建造基站的價格也許會高一些，還沒有考慮安保的要求（畢竟是“可信中繼”嘛）。好了，30億，數(shù)量級是不會錯的，但是不可能給出更精確的價格了——上下差個3倍很正常。對于這樣的網(wǎng)絡(luò)，相鄰兩個基站之間的量子信息傳送速率大概是100兆每秒。
基于衛(wèi)星的量子網(wǎng)絡(luò)，估計起來就更困難了。衛(wèi)星的發(fā)射成本是個謎，而相鄰地面站的距離若為1000千米的話，只需要建10個，其實(shí)每個省建個天文觀測臺就可以了，而量子通訊只需要用一個天文望遠(yuǎn)鏡而已（直徑大概是1米）。這些成本也很難估計，我猜是100億吧（包括5～10顆衛(wèi)星？），應(yīng)該也不會差出3倍的。因為衛(wèi)星和地面的通訊是串行操作，一次只能聯(lián)系一個基站，衛(wèi)星2小時轉(zhuǎn)一圈，每個基站頂上停留大約5分鐘，現(xiàn)在的最大傳遞速率是40萬比特每秒（我覺得已經(jīng)到極限了），那么平均下來的傳輸速率不過是2萬比特每秒（如果說白天或者霧霾天氣還會更低）。
好了，拍出200個億（考慮了人工成本），你就可以得到兩個量子通訊網(wǎng)絡(luò)，一個光纖的，一個衛(wèi)星的。干不干？我們普通人肯定沒有這個錢，但是政府只要愿意，還是掏得起的：只是幾十千米高鐵的造價嘛。當(dāng)然，這個量子通訊網(wǎng)絡(luò)只是個混合網(wǎng)絡(luò)，量子通訊（也就是那個量子密鑰傳輸）只是其中的一部分，需要控制的范圍縮減為1000個基站（保持其“可信性”），值不值？我們普通人肯定也不知道，還是要政府拍板。
量子通訊的安全問題
接著談?wù)劻孔油ㄓ嵕W(wǎng)絡(luò)的安全問題。最終的量子通訊網(wǎng)絡(luò)（如果真建成的話）一定是混合網(wǎng)絡(luò)，相鄰基站之間用量子通訊檢測偷聽者，基站內(nèi)部的管理和整個網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)肯定還是離不開經(jīng)典方法。保密是目標(biāo)，為了這個目標(biāo)當(dāng)然是不擇手段，絕不會區(qū)分什么量子還是經(jīng)典，哪個好用就用哪個。
檢查這個網(wǎng)絡(luò)的安全性，也是個龐大的系統(tǒng)工程，成本也是個人無法估算的——安全性的價值等于被保密信息的總價值。這種保密網(wǎng)絡(luò)的安全性檢查，肯定是要政府指導(dǎo)、各部門協(xié)調(diào)、團(tuán)結(jié)一切可以團(tuán)結(jié)的力量，大家齊心協(xié)力才有可能進(jìn)行的，肯定不會單純?yōu)榱肆孔优珊徒?jīng)典派的爭論就來一次的。從這個意義上講，前一陣國盾公司提出的“打擂臺”方法簡直就是搞笑了。我不能破譯你的密碼，當(dāng)然不會來獻(xiàn)丑，即使我能夠破譯你的密碼，顯然也有更來錢的方式——即使有人知道破譯方法這件事本身的價錢就絕對不止100萬。舉個例子：在二戰(zhàn)時期，圖靈破譯了德國的密碼系統(tǒng)，丘吉爾知道德國將轟炸考文垂，但是決定不做任何特殊的準(zhǔn)備，以防止希特勒可能猜到其密碼被破譯了。僅僅為了不讓敵人知道自己能夠破譯密碼，就不惜犧牲一個城市——還可能犧牲更多的。
量子通訊的未來
既然最終的網(wǎng)絡(luò)是混合網(wǎng)絡(luò)，就有誰來主導(dǎo)的問題。從量子派的角度說，如果在可預(yù)見的未來，真的搞出來能夠破譯RSA密碼的量子計算機(jī)，雖然經(jīng)典派還可以說，我只要簡單加倍密碼長度就可以了，但這肯定是量子派的巨大勝利：“看看，我跟你說過的！”這應(yīng)該是最樂觀的情況了，但是量子計算機(jī)的未來很有可能是很長的30年：再過30年，我就跟你說，只要再過30年，我就可以跟你說……（編者注：關(guān)于量子計算機(jī)，建議查閱文末“相關(guān)閱讀”4和5。）
如果真的搞不出來量子計算機(jī)，就有些麻煩了。量子派和經(jīng)典派的結(jié)合來自于使用者的要求，使用者偏向于哪一邊，哪一邊的力量肯定就大。如果沒有這個外部的強(qiáng)制要求，量子派就很難了：轉(zhuǎn)向？人家早就覺得你是雞肋了，不一定想要。主導(dǎo)？這個難度太大了，人家可能說你什么都有了，最后還得我干活？
最后再來一個設(shè)想。
量子通訊的賣點(diǎn)是能夠發(fā)現(xiàn)偷聽者，或者說保證沒有偷聽者。在光纖系統(tǒng)里，除非利用量子通訊方法，這是很難做到的；但是在基于衛(wèi)星的星地通訊或者星星通訊中，有個顯然的方法可以做到：不管是發(fā)射者還是接受者，都是一個大家伙（尺寸是米的量級），這么大的家伙是無法隱形的——NASA能夠監(jiān)視太空軌道上所有尺寸在厘米以上的物體，中國肯定也能做到，在基站附近放個1米大小的望遠(yuǎn)鏡更是不可能逃脫監(jiān)控的。張三和李四的連線上，有沒有站個王麻子？這個問題簡直就是和尚腦袋上的虱子——明擺著的呀。
如果確實(shí)是這樣，量子派就有個顯而易見的脫身法：只要提高信號光的強(qiáng)度，就可以大幅度提高信息傳送速率——不搞基于單光子的量子通訊了，我們搞的是大范圍的自由空間光互聯(lián)，衛(wèi)星間對準(zhǔn)和星地對準(zhǔn)都是已經(jīng)解決了的問題，弱光發(fā)射和探測更是我們的拿手絕技。一個基于衛(wèi)星的自由空間光互聯(lián)系統(tǒng)就誕生了！
所以說，未來雖然不可預(yù)料，但只要準(zhǔn)備充分，未來還是美好的。