不可被破解的量子互联网，到底是个什么网？

本文来自微信公众号：风云之声（ID：fyvoice），作者：袁岚峰，头图来自：unsplash

2020年7月23日，美国政府宣布了建设量子互联网的蓝图，提出要把美国带到全球量子竞赛的前列，引领通信新时代。

美国政府宣布建设量子互联网的蓝图

把美国带到全球量子竞赛的前列，引领通信新时代

这份报告称，基于量子力学的通信系统是“二十一世纪最重要的技术前沿之一”，科学家计划借此建立一个“几乎不可破解的网络”，能够更安全地控制和传输信息的量子互联网目前处于发展初始阶段，未来将对科学、工业及国家安全相关关键领域产生深远影响。量子互联网可能首先在银行和医疗服务等行业推广，应用于国家安全和航空通信领域，最终对全球每个人的生活产生广泛影响。

基于量子力学的通信系统是二十一世纪最重要的技术前沿之一

几乎不可破解的网络

大多数人可能看不懂其中的科学术语，不过换一个角度讲，就可以明白这是个什么事了：美国是想在量子通信领域赶超中国。

量子互联网是什么？

近年来，中国在量子通信领域取得了不少世界领先的成果。例如，2016年8月16日发射世界第一颗量子科学实验卫星“墨子号”，2017年9月29日开通世界第一条量子通信干线“京沪干线”。此外，在“量子隐形传态”、“量子中继”、“实验判决量子引力理论”等前沿基础研究领域，也走在世界前列。

墨子号量子科学实验卫星邮票

我国首次实现多自由度量子隐形传态

可以说，中国在量子通信领域是在引领世界的发展，这是少有的中国处于领跑而不是并跑的科学领域之一。在“十三五规划”和国家主席新年贺词等中央文件中，多次把量子通信作为中国标志性的科学成果。

量子互联网是量子通信网络的最新称呼。虽然量子通信在媒体上的曝光度已经不低，不过由于这个学科本身的门槛很高，需要以量子力学和密码学作为基础，所以大多数人可能还是不明白量子互联网是干什么的。更糟糕的是，有许多错误的说法在网络上流传，许多人看了以后被搅得更糊涂了。

所以，我们先来简略地指出量子互联网是什么和不是什么，然后再稍微详细地解释它的原理。

量子互联网是什么？

简略的回答是：它可以通过“量子密钥分发”的方法，保证通信的“无条件安全”（即不会被任何数学方法破解）。

量子互联网不是什么？

量子互联网不是什么？

首先，它不是骗局。

这是非常令人哭笑不得的一点，我们居然需要先从“它不是骗局”开始讲起。

自从中国在量子通信领域领先后，就出现了很多反对、质疑的声音。许多人说这东西是伪科学，是欺骗领导的，潘建伟等人是骗子，说得振振有词。其中还有些作者是国内外名校的工作人员，能讲出不少科学术语，把普通群众绕得将信将疑。

实际上，我已经写过很多文章（你完全可以理解量子信息（1） | 袁岚峰），介绍了相关的科学原理，解读了这些质疑，它们全都在科学上站不住脚。不在学术机构的民科就不用说了，那些名校的工作人员也并不是做这方面研究的，甚至根本不是做研究的，他们在谈论自己不擅长不了解的领域时其实跟民科是同一性质。

真正的量子通信研究者早就写文章反驳过了他们，但他们从来不听，只是不断地重复自己。专业人士没有时间跟他们无休止地纠缠（王向斌谈量子保密通信：我为什么不愿回应自媒体的一些文章），于是在舆论上，就形成了民科声势浩大、专业人士默默无语的奇妙局面。

不时地，有朋友拿着这些民科的文章来问我。最初，我耐心地给他们讲科学原理。后来发现，大多数人其实并不能听懂这么深奥的科学，他们只是看到一个说法就想来求证而已。

所以，我现在对他们的基本回答是：民科批判量子通信的文章都是网络文章，从来没有在同行审稿的正经科学杂志发表过，因为它们通不过评审。一边是在Nature、Science、RMP（《现代物理评论》）、PRL（《物理评论快报》）这样的顶级科学期刊上发了很多论文，另一边是一堆网络文章说人家是骗局，哪边可信不是显而易见的吗？你觉得这还需要来求证吗？

换位思考一下，如果你是一个科学家，你的工作已经在许多顶级科学杂志上发表，得到了科学界的公认，却有一些民科不断地叽叽喳喳，在网上写文章批判你，你该怎么办？你会跟他们在网上论战吗？还是不理这些民科，集中精力做自己的研究？

答案显然是后者，因为民科是永远不会闭嘴的。事实上，对于任何一个有公众知名度的科学成果，我都见到过民科去批判它。

反相对论的，反量子力学的，发明永动机的，证明哥德巴赫猜想的，这些都是常见题材。甚至连张益唐在孪生质数猜想方面的突破（质数的最小间隔有上限，人的奋斗没有上限 | 袁岚峰），都有人说他是骗局。大家可以去搜一下，民科们的活跃度和想象力会让你感觉打开了新世界的大门。

因此，我对大家的思维方式有一些基本的建议。一个人面对不懂的专业问题，有几种合理的选择。一种选择是，你不想花精力去搞懂，于是不持任何意见。另一种选择是，你真的想搞懂，那就自学成为专家。还有一种选择是，直接听专家的。只有这三种选择是合理的。

而许多人的问题是：既不懂又想掺和，又不愿意花时间去学，对真正的教材和论文没有能力去看，只看自己看得懂的民科文章，然后就去质疑专家。这种做法在根本上就是错误的。

就量子通信这个具体的领域而言，民科们批判它的常见理由之一，就是“美国不搞这个，可见它没有用处”。现在美国明确要用国家力量来建量子互联网了，这些人会说什么呢？他们是否认为，美国政府也被骗了，美国搞量子通信的也是骗子呢？

解释完这些基本思维方式，下面我们继续说量子互联网不是什么。

它不是超光速传输。量子通信的速度跟传统通信一样，不超过光速，不违反相对论。

然后，它不是量子纠缠。很多人听说过量子纠缠这个词，而且听说它很神奇，所以听到量子科技就认为是量子纠缠。量子纠缠确实很神奇，但它是一种工具。量子互联网可以用到量子纠缠这个工具，也可以不用。

然后，它不是激光通信。有些人说，量子通信只不过是激光通信而已，完全没有什么高深之处。实际情况是，激光通信也是一种新兴科技，但跟量子通信完全是两回事。

然后，它不是要取代当前的互联网。不是说现在的网络不能用了，而是要建一个新的网络，提供新的应用。

其他脑洞大开的想法，也许还有许多。不过跟各种各样的错误纠缠，是学不到知识的。

许多人的问题是，民科文章看得太多，正确的教材和科普文章看得太少。这是巨大的浪费。如果你仔细读一遍我的4万字文章《你完全可以理解量子信息》，你的收获会超过看无数篇民科文章——看民科文章的收获是负的。

所以量子互联网是什么？

如果你真的想理解量子互联网是什么，那么简略的回答就是前面提到的：通过“量子密钥分发”的方法，保证通信的“无条件安全”（即不会被任何数学方法破解）。在此基础上，还有很多更高级的技术。不过那些都还在实验室研究阶段，离实用还比较远。只有量子密钥分发，是已经实用的技术。下面，我们就来简略地解释一下量子密钥分发。

传统的加密方法，大都是基于某种数学问题的单向困难性。也就是说，一个问题沿着正方向很容易，你可以用它来加密，但逆方向就很困难，导致破解很困难。

举个例子，现在最常用的密码体系之一叫做RSA，它用到的数学难题叫做因数分解。也就是说，找到两个大的质数，把它们乘起来得到一个合数，这是很容易的。但给你一个大的合数，把它分解成两个质因数，这就是很困难的。

RSA密码体系的三位发明者李维斯特（Ronald Linn Rivest）、沙米尔（Adi Shamir）和阿德曼（Leonard Adleman）

这些密码算法保护了我们的支付、邮件、通话等网络活动，这是了不起的功绩。但有个巨大的隐患：到目前为止，我们没有证明任何一个数学问题真的是单向困难的。甚至，连单向困难的问题是否存在，都还没有得到解答。

我们之所以认为因数分解等某些问题是单向困难的，仅仅是基于经验，即到目前为止没见人解出来。但这显然不是个真正可靠的理由：你怎么知道别人解不出来？你怎么知道将来的人解不出来？

更进一步想一想，你的敌人如果破解了你的密码，他会告诉你吗？答案显然是不会。

二战期间，盟国破解了德国和日本的密码，但成功地隐瞒了破解的事实。盟国为此甚至不惜让一些部队去牺牲，让德日以为自己的密码还有效。

闪电战创始人古德里安在指挥车上，左下方是Enigma密码机

因此，当你对某个密码充满信心的时候，完全有可能敌人早已把它破解了，只是你不知道而已。

乍看起来，这是个无法解决的问题。但当人们把量子力学跟密码学结合起来，就提出了一种完全跳出传统框架的量子密码。

量子力学是物理学的一种基础理论，其中有两个原理可以为信息科学所用。

一个叫做叠加原理，意思是一个量子态可以等于两个基本量子态的任意叠加。一个常见的实际例子，就是偏振光的偏振方向可以处于任何角度，每一个角度都可以理解为0度和90度两种偏振状态的某种叠加。

另一个原理是，测量可能导致状态突变。举个例子，如果有一束45度的偏振光，然后你让它去过一个0度的滤波片，那么会有一半的光通过，一半的光通不过。对于每一个光子而言，就是有一半的几率通过，一半的几率通不过。那些通过的光子，偏振方向就突变成了0度。你让这些通过的光子再去过一个0度的滤波片，它们就会100%通过了。

基于这两个原理，科学家们设计了一套方法。基本过程是：在发射端，A向B发射一系列单个光子，这些光子的状态是随机的，在0度、45度、90度和135度这四种偏振状态中随机选择一个；在接收端，B对这些光子的状态进行测量。最终的结果是，AB双方获得了一串随机字符串。而且最关键的是，双方的随机字符串是完全相同的。双方不需要见面核对，就可以确信这一点，这是由量子力学原理保证的。

量子密钥分发

很抱歉，这里不能解释为什么双方的字符串是相同的，只能告诉你这个结果。如果你想了解细节，请去看我的文章《你完全可以理解量子信息》。如果你看明白了，肯定会高呼：真是太巧妙了！

你也许会问，这跟密码学有什么关系呢？关系在于，这串随机字符串，可以作为“一次性便笺密钥”。

什么叫做一次性便笺密钥呢？它是满足这样三个条件的字符串：第一，随机；第二，长度跟明文相等；第三，一次一密。密码学里早已证明了，用这样的密钥加密的密文，不可能被任何数学手段破解，即使对方有无限的算力都不行。

为什么不可能被破解？因为这样的一段密文，可能对应任何的一段跟它等长的明文，而且概率相等。比如说，既可能对应“明天上午向东进攻”，也可能以同样的概率对应“后天下午向西撤退”，所以完全无从选择。

这真是太好了！不过问题立刻就来了：既然一次性便笺密码不可破解，那我们直接用它不就得了？为什么还要用RSA等等呢？

回答是：以前最大的漏洞在于密钥分发。也就是说，你怎么让AB双方都获得这样一串字符串呢？传统的方法是派信使去送，但假如信使被抓了怎么办？叛变了怎么办？李玉和与甫志高的故事，大家都十分熟悉。

红灯记

甫志高

因此，一次性便笺密码以前是好看不好用。只有在极少数需要绝密而且不惜一切代价的地方，例如美俄总统通话，会用到这种方法。

但在量子密码出现以后，情况就完全翻转了。量子密码的一次性便笺密钥，是通话双方直接产生的，没有第三者介入，不需要信使去送。李玉和可以光荣下岗了，也不再有甫志高叛变的风险。实际上，量子密钥的产生过程，就是分发过程。因此，这种技术被叫做“量子密钥分发”。

这样，一次性便笺密码术一下子从好看不好用，变成了好看又好用。只要建立起量子密钥分发的线路，任何两个人之间都可以实现美俄总统通话级别的安全性。

量子互联网的大图景

量子密钥分发是量子互联网的基础功能，已经投入了实用。从更宏大的图景看来，量子互联网的远景目标是：将量子计算、量子传感、量子密码的应用和终端连接起来，产生、传输和应用量子资源，面向计算、感知和信息安全的通信网络。

值得自豪的是，我国在量子通信网络核心技术方面是世界的领导者。无论是量子密钥分发的基础技术，还是工程实践，还是更高深的量子隐形传态、量子中继等技术，我国都走在世界最前列。

中国科学技术大学展示的“高速量子密钥生成终端”模型

中国科学技术大学在国际上首次实现基于纠缠的无中继千公里级量子保密通信

美欧目前在跟随中国发展。但如果我们掉以轻心，听凭伪科学的鼓噪干扰决策，减少投入，那么美欧随时可能反超我们。

我希望大家既了解科学原理，也了解科学的思维方式，了解一个陈述的可信度是从哪里来的，懂得分辨真伪科学。在现代社会，这是最急需的公民素质。

本文来自微信公众号：风云之声（ID：fyvoice），作者：袁岚峰