文 | 曹正書
【編者按】中國的量子通訊即將發(fā)射，京滬之間的量子通訊干線也即將開通。這種從物理上保證信息安全的通訊方式，被看作是未來保證加密系統(tǒng)不被量子計(jì)算機(jī)攻破的最根本保證。
也正是因?yàn)槿绱耍?015年度的國家自然科學(xué)獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)，頒給了中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉院士領(lǐng)銜的“多光子糾纏及干涉度量”項(xiàng)目。
國家科技獎(jiǎng)勵(lì)工作辦公室副主任陳志敏曾表示，這一項(xiàng)目在廣域量子通信和光學(xué)量子信息處理等領(lǐng)域取得了一系列具有重要國際影響的原始創(chuàng)新成果，為我國在新興的量子信息產(chǎn)業(yè)搶占先機(jī)、成為領(lǐng)跑者奠定了堅(jiān)實(shí)的科學(xué)基礎(chǔ)。
但是量子通訊的實(shí)質(zhì)，就是在傳統(tǒng)通信的基礎(chǔ)上，增加一套以量子方式產(chǎn)生的密鑰，這套密鑰完全隨機(jī)，只有發(fā)送方和接受方知道，任何敵人的竊聽行為，都能被系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)。這也就保證了信息的安全。
然而，財(cái)新最近采訪到的幾位研究密碼的專家對(duì)于量子通訊卻是另外一種態(tài)度。簡單的說，就是說這種方法功能比較單一，使用局限性比較大，無法取代現(xiàn)有的密碼系統(tǒng)，更嚴(yán)重的，是認(rèn)為這種通信方式就是本末倒置，實(shí)質(zhì)上并不能保證信息的安全。
上海大學(xué)數(shù)學(xué)系的密碼專家曹正軍就此投書財(cái)新，雖然他的相關(guān)論文已經(jīng)發(fā)表，但是在國內(nèi)的一些會(huì)議上提出這些想法的時(shí)候，卻受到一些學(xué)術(shù)之外的詰難。他表示，自己不愿介入這種學(xué)術(shù)江湖之爭，只希望通過這篇文章告訴大家，量子通訊并不完美，至少不像很多人說的那樣好。
——————————————————————————————————————
一、什么是信息？
通常所說的信息就是指符號(hào)、文字、圖像、語音等。這些信息在實(shí)際通訊中通常都表示成由0、1構(gòu)成的比特串。比如：中文字符“漢”的Unicode編碼是0x6C49，利用UTF-8規(guī)則轉(zhuǎn)化成二進(jìn)制后得到的是11100110 10110001 10001001. 身在北京的張山怎樣把這個(gè)比特串發(fā)給上海的李強(qiáng)呢？這就需要利用通訊信號(hào)。
二、什么是信號(hào)？
通訊信號(hào)是指能夠用來傳遞信息的物質(zhì)，比如無線電波、電信號(hào)、磁信號(hào)、光信號(hào)等。電路中電壓的大小可以用來表示1、0。張山利用電壓調(diào)制電路把11100110 10110001 10001001調(diào)制成相應(yīng)的電信號(hào)，這些電信號(hào)再通過光電轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成不同強(qiáng)度或頻率的光信號(hào)，然后利用光纖傳送出去。在傳送過程中，光信號(hào)會(huì)衰退，需要利用中繼服務(wù)器來增強(qiáng)信號(hào)，直至傳遞到上海李強(qiáng)端的接收設(shè)備，接收設(shè)備把光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，然后轉(zhuǎn)換成11100110 10110001 10001001，再用對(duì)應(yīng)的編碼規(guī)則轉(zhuǎn)換成“漢”。為了敘述方便，此處略去了加密，糾錯(cuò)編碼等環(huán)節(jié)。
在光纖通訊的發(fā)展史上，有兩個(gè)至關(guān)重要的人物。愛因斯坦在1905年提出了光量子假說，成功地解釋了光電效應(yīng)現(xiàn)象，這是光電信號(hào)轉(zhuǎn)換原理的基礎(chǔ)。1921年，他因?yàn)檫@一學(xué)說獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。2009年獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的華人學(xué)者是高錕，他取得了光纖物理學(xué)上的突破性成果，發(fā)現(xiàn)了如何使光在光導(dǎo)纖維中進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸，這項(xiàng)成果最終促使光纖通信系統(tǒng)問世。沒有高錕堅(jiān)持不懈的研究，就沒有今天的互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代。
三、什么是信息安全？
信息安全包括很多內(nèi)容，最主要的是機(jī)密性和認(rèn)證。機(jī)密性是指沒有被授權(quán)的用戶無法讀取通訊信號(hào)中蘊(yùn)藏的信息。從形式上看，非授權(quán)用戶得到的只是由0、1構(gòu)成的比特串，他不知道采用什么樣的變換規(guī)則把獲得的比特串轉(zhuǎn)換成原始信息。認(rèn)證是指用戶能夠確認(rèn)通訊對(duì)方的身份或者信息的來源。
因?yàn)楣怆娦盘?hào)的經(jīng)典性態(tài)(光強(qiáng)、頻率、電壓等)是很容易調(diào)制和測(cè)量的，所以敵手可以通過監(jiān)聽線路獲得通訊信號(hào)。傳統(tǒng)的密碼學(xué)總是假定敵手已經(jīng)竊得了所有通訊信號(hào)，在這種情形下，研究如何阻止敵手讀取信號(hào)中蘊(yùn)藏的信息，或者敵手篡改信號(hào)欺騙用戶。
因?yàn)閿呈衷诟`聽的時(shí)候基本上沒有干擾原來的通訊信號(hào)，所以目標(biāo)用戶能夠正確地恢復(fù)出發(fā)送端發(fā)送的信號(hào)。發(fā)送雙方無法得知有沒有敵手在竊聽，也就是說傳統(tǒng)的密碼學(xué)不能發(fā)現(xiàn)竊聽行為。就機(jī)密性而言，傳統(tǒng)的密碼學(xué)的目的是阻止敵手獲得蘊(yùn)藏在信號(hào)中的信息，是一種智力手段。
四、什么是信號(hào)安全？
1984年, IBM公司的研究人員Bennett和蒙特利爾大學(xué)的學(xué)者Brassard在印度召開的一個(gè)國際學(xué)術(shù)會(huì)議上提交了一篇論文《量子密碼學(xué):公鑰分發(fā)和拋幣》(Quantum cryptography: Public key distribution and coin tossing)。文章宣稱量子密碼學(xué)能夠發(fā)現(xiàn)竊聽行為，是絕對(duì)安全的。其理論基礎(chǔ)是量子力學(xué)的測(cè)不準(zhǔn)原理。
傳統(tǒng)的通訊信號(hào)性態(tài)是指電壓值、光的強(qiáng)度與頻率、電磁波的頻率等。與這些性態(tài)不一樣，量子通訊利用的信號(hào)性態(tài)是量子態(tài)，比如，光的偏振方向和電子的自旋方向。因?yàn)橐粋€(gè)未知的量子態(tài)是無法復(fù)制的，一旦敵手試圖竊聽量子信號(hào)，將有一半的機(jī)會(huì)改變發(fā)送方發(fā)送的量子態(tài)，所以接收方就會(huì)無法正確地恢復(fù)出發(fā)送端發(fā)送的信號(hào)。
發(fā)送雙方事后通過一個(gè)傳統(tǒng)信道進(jìn)行公開比對(duì)，如果發(fā)現(xiàn)雙方在采用同樣的測(cè)量方案時(shí)測(cè)得的量子態(tài)是不一致的，就可以斷言量子信道上有竊聽者。量子密碼學(xué)的目的是阻止敵手獲得信號(hào)，是一種物理手段。
五、信息安全與信號(hào)安全的關(guān)系
敵手無法獲得信號(hào)，自然就無法獲得蘊(yùn)藏在信號(hào)中的信息。因此，一個(gè)通訊系統(tǒng)是信號(hào)安全的，也必然是信息安全的。這就是量子通訊絕對(duì)安全的由來。但在有敵手介入的情形下，一個(gè)通訊系統(tǒng)在阻止敵手獲得信號(hào)的同時(shí)也必然無法保證目標(biāo)用戶獲得正確的信號(hào)，也就是說該系統(tǒng)是不穩(wěn)定的。
六、通訊的首要目的是什么？
通訊的首要目的是穩(wěn)定性，即目標(biāo)用戶能夠正確地恢復(fù)出發(fā)送方發(fā)送的信號(hào)。盡管信息安全很重要，但對(duì)絕大多數(shù)通訊來說，它是不必要的，比如一封普通的電郵，一次尋常的電話交談。發(fā)現(xiàn)竊聽不是通訊的目的。
通常，總是假定敵手是存在的，無論他在竊聽信號(hào)還是在篡改信號(hào)。
七、信號(hào)安全與通訊的穩(wěn)定性是不兼容的
密碼學(xué)總是假定敵手所具備的物理技術(shù)手段比接收方更強(qiáng)。因此，一個(gè)通訊系統(tǒng)如果從物理上剝奪了敵手竊取信號(hào)的能力，那么也必然無法保證接收方獲得正確的信號(hào)。也就是說通訊系統(tǒng)的穩(wěn)定性與信號(hào)安全是不兼容的。
敵手一旦介入量子通訊，勢(shì)必破壞了量子信號(hào)，即使是破壞性雖小的竊聽行為，也會(huì)破壞量子信號(hào)，使得接收人無法獲得正確的信號(hào)，
直白點(diǎn)說，有竊聽時(shí)量子通訊干不成事！一個(gè)有了敵手就干不成事的通訊系統(tǒng)還能說是安全的嗎？
八、信息安全能夠與通訊的穩(wěn)定性兼容
一個(gè)信息安全系統(tǒng)雖然不能從物理上削弱敵手截獲信號(hào)的能力，但是能夠從智力上保證敵手無法獲得蘊(yùn)藏在信號(hào)中的信息，即通訊系統(tǒng)的穩(wěn)定性與信息安全是兼容的。
九、大規(guī)模的量子通訊網(wǎng)絡(luò)是不可行的
Bennett和Brassard提出的BB84協(xié)議一直被稱為量子密鑰分發(fā)（QKD），這種叫法是錯(cuò)誤的，正確的叫法應(yīng)該是量子密鑰協(xié)商。他們沒有認(rèn)識(shí)到密鑰分發(fā)和密鑰協(xié)商之間的差別。密鑰分發(fā)是把預(yù)先存在的一些密鑰分發(fā)出去。密鑰協(xié)商則是用戶之間通過信息交互商定一個(gè)共同的密鑰，這個(gè)密鑰事先并不存在。顯然，前者比后者更困難。
Bennett和Brassard兩人都不是從事密碼技術(shù)研究的專業(yè)人士，對(duì)通訊的基本要求似懂非懂。他們沒有認(rèn)識(shí)到信號(hào)安全與信息安全的差異，逆技術(shù)潮流而動(dòng)，提出了基于物理技術(shù)手段而不是智力手段的所謂的量子密碼學(xué)。盡管他們的后繼者發(fā)表了許多文章和實(shí)驗(yàn)，成功地吸引了公眾的關(guān)注，但是無法改變這個(gè)事實(shí)---大規(guī)模的量子通訊網(wǎng)絡(luò)是不可行的。■
聯(lián)系客服
