量子保密通信：慢不是問(wèn)題，安全就行！

你家的網(wǎng)速是多少？現(xiàn)在千兆網(wǎng)線很常見(jiàn)，考慮到效率損失后家里網(wǎng)速達(dá)到幾百兆很正常。例如我家剛才測(cè)了一下，從路由器到互聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)速是349兆每秒。

你家的網(wǎng)速是多少？現(xiàn)在千兆網(wǎng)線很常見(jiàn)，考慮到效率損失后家里網(wǎng)速達(dá)到幾百兆很正常。例如我家剛才測(cè)了一下，從路由器到互聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)速是349兆每秒。

您的網(wǎng)速相當(dāng)于349 M

那么現(xiàn)在如果有人跟你說(shuō)，給你提供一項(xiàng)高新技術(shù)，但網(wǎng)速下降到只有一百兆出頭，你干不干？你肯定會(huì)覺(jué)得很可笑，不會(huì)同意。但假如他再補(bǔ)充一點(diǎn)，這項(xiàng)高新技術(shù)可以讓你的通信完全安全，再也沒(méi)有泄密之憂，你干不干？

這項(xiàng)高新技術(shù)，就是量子保密通信，或者稱為量子密碼（quantum cryptography）、量子密鑰分發(fā)（quantum key distribution，簡(jiǎn)稱QKD）。它最大的特點(diǎn)，就是能夠?qū)崿F(xiàn)“無(wú)條件安全”（unconditional security），即敵人即使有無(wú)限的計(jì)算能力，也無(wú)法破解你的密碼，這是能夠想象的最高程度的安全。而目前常用的保密方法都是“有條件安全”（conditional security），即敵人的計(jì)算能力如果夠強(qiáng)，就可以破解你的密碼。因此，量子密碼在本質(zhì)上就比傳統(tǒng)的保密方法安全得多，設(shè)想中的量子互聯(lián)網(wǎng)也被稱為“不可破解的網(wǎng)絡(luò)”（人民日?qǐng)?bào)發(fā)表袁嵐峰文章：量子互聯(lián)網(wǎng)的未來(lái)）。

《量子互聯(lián)網(wǎng)的未來(lái)》（2023年1月11日發(fā)表于《人民日?qǐng)?bào)》科技大觀欄目）（http://paper.people.com.cn/rmrb/html/2023-01/11/nw.D110000renmrb_20230111_2-15.htm）

然而如果你問(wèn)我，量子密碼有什么缺點(diǎn)，我就會(huì)老老實(shí)實(shí)地告訴你：太慢了。例如2021年1月有一個(gè)大新聞，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)宣布建成天地一體化量子通信網(wǎng)絡(luò)（跨越4600公里，中國(guó)量子通信全球領(lǐng)先，歐美多久才能追上？| 袁嵐峰）。這指的是天上的“墨子號(hào)”衛(wèi)星和地上的“京滬干線”，前者實(shí)現(xiàn)了天地之間的量子保密通信，后者實(shí)現(xiàn)了從北京到上海2000公里距離上的量子保密通信，兩者組合起來(lái)實(shí)現(xiàn)了天地一體化的量子通信網(wǎng)絡(luò)。

中國(guó)的天地一體化量子通信網(wǎng)絡(luò)

然而京滬干線的傳輸速率是多少呢？論文表1里給出了數(shù)據(jù)：最低28.1 kbps，最高235.4 kbps，平均值只有79.3 kbps！這個(gè)單位甚至不是M，而是k！也就是說(shuō)，一秒連一兆都不到。

《Nature》論文表1：天地一體化量子通信網(wǎng)絡(luò)中骨干網(wǎng)、四個(gè)城域網(wǎng)（北京、濟(jì)南、合肥、上海）、兩個(gè)地面站（興隆、南山）以及墨子號(hào)衛(wèi)星的各種指標(biāo)（中繼數(shù)、節(jié)點(diǎn)數(shù)、用戶數(shù)、連接數(shù)、平均長(zhǎng)度、損失率、成碼率）

幾十k的傳輸速率，一下子讓我們夢(mèng)回九十年代，剛開(kāi)始上網(wǎng)的時(shí)候。那時(shí)典型的上網(wǎng)設(shè)備叫做“貓”，即MODEM（調(diào)制解調(diào)器），典型速率就是幾k、幾十k。用這種龜速看看文字還行，但是傳個(gè)圖片就要等老半天了，聽(tīng)個(gè)音樂(lè)都費(fèi)勁，看電影就更不用提了。這種網(wǎng)速還會(huì)讓經(jīng)歷者回憶起一些上古文化，如校園BBS和網(wǎng)絡(luò)小說(shuō)《第一次親密接觸》……

為什么量子保密通信會(huì)如此之慢？因?yàn)閷?shí)際上它是一種利用量子力學(xué)操作產(chǎn)生密鑰的方法，量子力學(xué)的奇妙之處在于能夠讓通信雙方直接共享一段相同的隨機(jī)字符串作為密鑰，不需要第三者的信使。這就是為什么如前面所說(shuō)，它有個(gè)技術(shù)性名稱叫做量子密鑰分發(fā)（quantum key distribution，簡(jiǎn)稱QKD）。但產(chǎn)生密鑰之后，要達(dá)到無(wú)條件安全，就必須“一次一密”地來(lái)用，即一段密鑰只能用一次。這還沒(méi)完，密鑰的長(zhǎng)度還要和待傳輸?shù)拿魑男畔⒁粯娱L(zhǎng)。也就是說(shuō)，如果你要無(wú)條件安全地傳輸一本《紅樓夢(mèng)》，那么你產(chǎn)生的密鑰就需要跟《紅樓夢(mèng)》一樣長(zhǎng)！

《紅樓夢(mèng)》電視劇

而且一次一密意味著，這么長(zhǎng)的密鑰還只能用一次。下次你如果又要傳一本《水滸傳》，那么你不能把剛才的密鑰拿來(lái)再用，你必須再產(chǎn)生一段跟《水滸傳》一樣長(zhǎng)的密鑰。

至于密鑰產(chǎn)生了以后怎么傳加密的密文，那倒是非常簡(jiǎn)單的：用任何常規(guī)的通信方式都可以，因?yàn)檫@樣加密的密文已經(jīng)是不可破解的了。因此，量子保密通信分為兩步，第一步是密鑰的產(chǎn)生，這一步是慢的，第二步是密文的傳輸，這一步是快的。這就決定了，量子保密通信的信息傳輸速度取決于第一步即密鑰產(chǎn)生的速度，術(shù)語(yǔ)叫做成碼率（secret key rate，簡(jiǎn)稱SKR）。實(shí)際上，前面論文里那個(gè)表列出的就是成碼率。

下面重點(diǎn)來(lái)了：量子密碼的成碼率天然地就比較低，因?yàn)樗诋a(chǎn)生密鑰時(shí)，一次只能發(fā)一個(gè)光子。是的，這是跟常規(guī)通信的一個(gè)根本區(qū)別。常規(guī)的通信可以發(fā)很強(qiáng)的一束光，里邊包含很多個(gè)光子，但量子密鑰的產(chǎn)生過(guò)程一次只能發(fā)一個(gè)光子。

為什么呢？如果你只發(fā)一個(gè)光子，敵人就無(wú)法從中偷到信息，因?yàn)樗豢赡芡底甙雮€(gè)光子。光子就像電子一樣，只能有零個(gè)、一個(gè)、兩個(gè)、三個(gè)，不可能有半個(gè)。而假如一次發(fā)多個(gè)光子，敵人就有可能通過(guò)偷走其中的一個(gè)來(lái)竊密了，這叫做“光子數(shù)分離攻擊”（photon number splitting attack）（量子加密驚現(xiàn)破綻？請(qǐng)媒體提高知識(shí)水平，不要亂搞大新聞 | 袁嵐峰）。所以一次發(fā)一個(gè)光子正是量子密碼的一大技術(shù)關(guān)鍵，完全封住了光子數(shù)分離攻擊。然而這也就決定了，它的成碼率會(huì)比較低。畢竟，一次傳一個(gè)光子怎么可能趕得上一次傳多個(gè)光子呢！

光子數(shù)分離攻擊

因此，量子密碼在實(shí)用過(guò)程中最顯而易見(jiàn)的瓶頸就是成碼率。畢竟如果跟你說(shuō)，現(xiàn)在我能讓你的通信絕對(duì)保密，但速率只有幾十k，大多數(shù)人恐怕都不會(huì)接受，——除非你的信息是真正的絕密，要不惜一切代價(jià)保護(hù)的那種。

在我做量子信息科普的這些年中，我見(jiàn)過(guò)許多對(duì)量子信息的攻擊，各種角度的都有。其中比較有技術(shù)含量的一種就是：量子保密通信的成碼率太低，所以沒(méi)用。例如大家搜一下“成碼率”這個(gè)詞，立刻就能見(jiàn)到類似這樣的文章《量子通信技術(shù)困境之一：極低的成碼率》（http://www.yiguangdian.cn/article/15）。來(lái)給大家摘引幾句：

“在現(xiàn)代化高速、實(shí)時(shí)、多媒體互動(dòng)通信的舞臺(tái)上，蝸牛般低速的成碼率使得量子通信沒(méi)有任何立足之地?！璔KD極低的成碼率是被物理原理所決定的，靠工程技術(shù)很難發(fā)生實(shí)質(zhì)性的改變?！诂F(xiàn)代高速率、低延遲通信時(shí)代，超低成碼率的量子密鑰分發(fā)技術(shù)沒(méi)有任何切入口，是不可能有應(yīng)用前景的?！?/p>

真的是這樣嗎？下面來(lái)給大家看一條新聞：依托中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)組建的中科院量子信息與量子科技創(chuàng)新研究院潘建偉、徐飛虎等與上海微系統(tǒng)所、濟(jì)南量子技術(shù)研究院、哈爾濱工業(yè)大學(xué)等單位的科研人員合作，首次在國(guó)際上實(shí)現(xiàn)百兆比特率的實(shí)時(shí)量子密鑰分發(fā)，將此前的成碼率紀(jì)錄提升一個(gè)數(shù)量級(jí)（中科院量子信息與量子科技創(chuàng)新研究院實(shí)現(xiàn)百兆比特率量子密鑰分發(fā)量子科話 | 量子科話）。該成果于2023年3月14日在線發(fā)表于《自然·光子學(xué)》（https://www.nature.com/articles/s41566-023-01166-4）。

《超越110兆每秒的高速率量子密鑰分發(fā)》

這里說(shuō)的百兆比特率具體是多少呢？是10公里標(biāo)準(zhǔn)光纖信道下115.8 Mbps?，F(xiàn)在如果有人跟你說(shuō)，能讓你的通信絕對(duì)保密，速率有一百多兆，愿意接受的人是不是就多得多了呢？

為什么會(huì)出現(xiàn)這樣峰回路轉(zhuǎn)的發(fā)展？前面那種認(rèn)為量子密碼沒(méi)用的文章錯(cuò)在什么地方？錯(cuò)在用靜止的眼光看問(wèn)題。

前面的引文里有一句：“QKD極低的成碼率是被物理原理所決定的，靠工程技術(shù)很難發(fā)生實(shí)質(zhì)性的改變。”實(shí)際上，物理原理只能決定量子保密通信的傳輸速率比常規(guī)通信低，但并不能決定它的上限。近年來(lái)的實(shí)踐是，量子密碼的成碼率在快速增加。

例如，前面說(shuō)的京滬干線79.3 kbps看起來(lái)很低，但你猜它的設(shè)計(jì)指標(biāo)是多少？是8 kbps！從8到80，實(shí)際上它已經(jīng)超出預(yù)期十倍了！

又如最新的百兆級(jí)新聞里有一句，將此前的成碼率紀(jì)錄提升一個(gè)數(shù)量級(jí)。這說(shuō)的就是，以前的最高紀(jì)錄是10兆的量級(jí)，2018年實(shí)現(xiàn)的，現(xiàn)在提升到了百兆級(jí)。這些都反映了技術(shù)進(jìn)步的速度。

如果你非常有好奇心，你也許會(huì)問(wèn)，百兆級(jí)成碼率是如何實(shí)現(xiàn)的？答案可想而知，需要很多方面的進(jìn)步。例如在發(fā)送端，發(fā)展了集成光子片上高速高保真度偏振態(tài)調(diào)制技術(shù)；在接收端，發(fā)展了高效率、低噪聲、高計(jì)數(shù)率的超導(dǎo)納米線單光子探測(cè)器。

這個(gè)超導(dǎo)納米線單光子探測(cè)器特別值得提一下，它是目前最好的單光子探測(cè)器，在量子通信之外的領(lǐng)域也有很多應(yīng)用。尤其有趣的是，它是中國(guó)生產(chǎn)的，不是進(jìn)口的哦（超導(dǎo)單光子探測(cè)器為高速量子通信帶來(lái)新突破 | 量子科話）。具體而言，是中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所尤立星團(tuán)隊(duì)（2400萬(wàn)元的超導(dǎo)納米線探測(cè)器，居然是國(guó)產(chǎn)的 | 科技袁人）。

更加有趣的是，尤立星老師自己最初都認(rèn)為這是不可能的（https://www.cas.cn/zkyzs/2021/09/315/cmsm/202109/t20210914_4805673.shtml）！在參與“九章”光量子計(jì)算原型機(jī)研制之前，他的單光子探測(cè)器效率一直徘徊在10%左右。剛接到“九章”提出的“探測(cè)效率要達(dá)到80%”的目標(biāo)時(shí)，他認(rèn)為是“不可能的任務(wù)”，“沒(méi)想到經(jīng)過(guò)幾年的‘倒逼’，竟然真的達(dá)標(biāo)了，而且還發(fā)現(xiàn)了更多改進(jìn)空間”。

《協(xié)同創(chuàng)新“聯(lián)合艦隊(duì)”打造最核心量子科研基地》（《文匯報(bào)》 2021年9月9日 第9版）

這個(gè)故事給我們一個(gè)更大的圖景，就是基礎(chǔ)研究對(duì)工程應(yīng)用的拉動(dòng)。例如中國(guó)高能物理學(xué)界在為江門(mén)中微子實(shí)驗(yàn)做準(zhǔn)備的時(shí)候，把中國(guó)的光電倍增管水平提高了一大截（想?yún)⑴c大型對(duì)撞機(jī)之爭(zhēng)？先搞清基本背景 | 袁嵐峰）。又如中國(guó)在為國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆（ITER）提供超導(dǎo)線的過(guò)程中極大地提高了水平，從一年幾公斤做到了幾百噸，變成了全世界的領(lǐng)導(dǎo)者（超導(dǎo)材料從發(fā)現(xiàn)到大規(guī)模應(yīng)用有多遠(yuǎn)？【無(wú)盡的前沿——“刺激”的室溫超導(dǎo)】｜科技袁人）。因此，以一時(shí)的技術(shù)指標(biāo)不足就認(rèn)為一個(gè)領(lǐng)域是騙局，這屬于一種典型的思維謬誤，客氣地說(shuō)就是刻舟求劍。

這還啟發(fā)我們，對(duì)像量子密碼這樣的顛覆性科技，應(yīng)該首先認(rèn)識(shí)到它在質(zhì)的層面的突破，認(rèn)識(shí)到這是它的根本價(jià)值。如果有人說(shuō)，它在量的層面有多少多少不足，所以它沒(méi)用，你應(yīng)該想到，那些是可以改進(jìn)的。正如火車(chē)剛出來(lái)時(shí)沒(méi)有馬車(chē)跑得快，但有遠(yuǎn)見(jiàn)的人都能看出火車(chē)的前景比馬車(chē)強(qiáng)得多。類似的道理不僅適用于量子密碼，也適用于核聚變、量子計(jì)算、太空探索等很多領(lǐng)域。對(duì)這些領(lǐng)域也有人說(shuō)它們是騙局，其實(shí)都是同樣的思維謬誤。

如果你能分清質(zhì)和量，你就不會(huì)被那種充滿術(shù)語(yǔ)的民科文章誤導(dǎo)，你的思維層次就超過(guò)了99%的人。正如比爾·蓋茨的名言：“人們總是高估未來(lái)兩年的變化，低估未來(lái)十年的變化?！庇秩缈苹么髱熆死说拿裕骸叭绻晃荒旮叩论康目茖W(xué)家說(shuō)，某件事情是可能的，那他很可能是正確的；但如果他說(shuō)，某件事情是不可能的，那他很可能是錯(cuò)誤的。”

最后說(shuō)一件有趣的事，即使京滬干線的平均速率只有79.3 kbps，它卻已經(jīng)能支持很多應(yīng)用，包括量子保密通信手機(jī)、人民幣跨境收付信息管理系統(tǒng)、電力業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)量子加密傳輸?shù)?。這是為什么呢？因?yàn)橹灰侠硪?guī)劃，絕密數(shù)據(jù)的量其實(shí)可以很小。例如軍用命令體系里一個(gè)數(shù)字可能就足以代表一系列的戰(zhàn)術(shù)操作，這些戰(zhàn)術(shù)方案都是早就制定好的。更進(jìn)一步，有些應(yīng)用并不需要實(shí)時(shí)生成密鑰，這時(shí)低成碼率就完全不是問(wèn)題了，在不用的時(shí)候產(chǎn)生密鑰積累起來(lái)，要用的時(shí)候隨時(shí)取用，不就行了嗎？