量子保密通讯，经典派陷入的N个误区

cooldaddy

　　知彼知己，百战不殆；不知彼而知己，一胜一负；不知彼，不知己，每战必殆。

　　上个月，我简单介绍了围绕量子通讯所发生的一些争议《量子通讯争议，都在争些什么？》，随后网上相继又出现几篇文章，颇为热闹了一阵。然而，关于量子通讯的争议虽然很热闹，经典派有经典派的误区，量子派有量子派的罩门，但是双方都讲不到点子上，让人看了着急。

　　先简单总结一下。争议双方（经典派和量子派）对保密通讯有两种看法：经典派采用的是数学方法，赌的是你随便听，反正你解不了密；量子派采用物理方法，赌的是只要你偷听，我就能知道。

　　关于量子通讯的争论，在网上双方不相上下，而现实中经典派并没有占得上风，有以下几个因素。

　　战略方面

　　从战略上讲，经典派托大了，没有一个重量级的人物出来站台。量子派有潘建伟院士，肯定可以镇得住场子的。虽然也有几位院士发出不同的声音，但他们是量子物理学方面的院士，讨论的是量子通讯的具体细节，反对的是工程方面的迅速铺开，很难归到经典派的阵营里。经典派没有大佬站台，原因无外乎几种：经典派一盘散沙、没有大佬；经典派有大佬，但是大佬认为量子派说的对；经典派的大佬认为量子派说的不对，但是自己又吃不准，所以不好亲自出场——万一看走眼了，太丢脸。

　　唯一值得讨论的情况就是，经典派的大佬拿不准情况，所以不好站台——从全局上看，表现出了经典派没有大佬站台。

　　战术方面

　　从战术上讲，经典派自大了，甚至没有一个人愿意想清楚量子派到底在说什么。如果说大佬们太忙，没时间想这些细节，那么冲锋在前的反对者，总应该先搞清楚问题再上阵吧。但是，好像也没有。

　　经典派不承认量子派在技术上确实有个好处：能够发现有人偷听。他们总是坚持说，我不怕偷听，你爱听不听，反正你听不懂。无论经典派还是量子派，最终目的都是为使用者提供保密服务，哪个重要哪个不重要，最终还是由使用者决定。使用者为什么不能认为“发现偷听”很重要呢？我们无法替使用者做决定。

　　经典派似乎认为，量子派只能使用量子方法，不能捞过界。他们说应该将量子密码纳入到完整的信息安全体系内，意思像是说，量子派永远只能用量子方法，“绝对不许”用经典方法。但是保密的目的是保密，只要能够达到这个目的，可以“无所不用其极”了。李红雨举了一个例子（查阅李红雨文章，请戳本文左下角“阅读原文”），128位的密码，通过理想的加密算法，能够等效于2128位“异或加密”的密钥长度，似乎是说经典派远远强于量子派了。但是，量子派说用量子通讯可以安全地传送这128个密码，谁要是偷听我肯定能发现，量子派却没有说一定要用这128个密码只做一次一密。可以做一次一密，和只做一次一密，还是有差别的。当有了这128个密码，当然也可以用经典方法继续操作——为什么限制我？

　　最近争议重启的一个主要原因是金贤敏的工作，有人说他的工作表明量子派声称的“绝对安全性”有漏洞，金贤敏说他的工作是支持量子派的，而经典派却不这么认为。认为自己对某件事情的看法比具体做那件事的人更正确，也是自大的一种表现吧。

　　其他破绽

　　以上3个例子有些笼统，经典派可能会认为自己被曲解了，那么再举几个具体的例子，说明经典派没有搞清楚量子派做的是什么。

　　以金贤敏的工作为例，加个光隔离器就可以避免这种攻击，而李红雨提出了两个反制手段，简单说就是“消除光隔离器内部的磁场”。一个方法是高温消磁，另一个方法是设法抵消永磁铁的磁场。而这方法并不现实，永磁体是几厘米大小的磁环，光从环的孔洞中通过，外来的激光无法接触到这个磁体，当然不可能加热它，更无法产生磁场抵消它。难道说，他可以去发送信息的屋里，用电吹风把这个永磁体干掉？

　　再说说利用“非线性晶体下自发参量下转换攻击”。李红雨认为，因为某些非线性晶体可以把入射光子劈裂为两个光子，而且这两个光子的偏振与入射光子的偏振是绝对相关的，这样就可以确定入射光子的偏振；他还进一步认为：“看来不可克隆原理终究没有成为BB84协议宣称的金钟罩铁布衫。”其实，这种自发参量下转换过程能够发生的一个基本要求就是，入射光子的偏振必须满足某个特定的条件——量子通讯能够检测到偷听者，就是因为这种条件并不是时时都能够满足的。

　　相关物理知识

　　光是电磁波，电磁场在垂直于光的传播方向交替振动（“电生磁、磁生电”），所以光有偏振性。这种偏振性可以用“偏振片”检验。我们看3D电影时，都要戴一副眼镜，这副眼镜就是由两个不同的偏振片构成：一个（如左眼的镜片）让垂直偏振的光通过，另一个（右眼的镜片）让水平偏振的光通过。两个不同的投影机，分别用垂直偏振和水平偏振的光，把略为不同的两个影像投射在电影屏幕上。如果不戴立体眼镜，每个眼睛都能看到这两个影像，所以就会觉得有些模模糊糊的；戴了立体眼镜，左眼和右眼看到的就是略有不同的影像，大脑自动把它们加工成立体影像了。

　　说得再详细一些。偏振片检测光的偏振性，因为它有一个特殊的方向：当光的偏振方向与这个方向相同时（0度）就可以透射过去；当光的偏振与这个方向垂直时（90度），光就透不过去；当光的偏振既不垂直也不平行于这个特殊方向时，就只有一部分光可以透过，如光的偏振方向与这个方向呈45度时，有一半光可以透过去。

　　单光子通讯的BB84协议利用的就是光的偏振性，再加上单光子特性，一个光子是不能分成两个的。一个45度偏振的光子照射在0度放置的偏振片上，有一半的几率透过，一半的几率透不过去——但绝对不会一分为二的。

　　张三和李四通讯，每次发射一个特定偏振的单光子，其偏振分为两类：一类是0度或90度偏振的，另一类是45度或135度偏振的。为了确定收到的单光子的偏振种类，李四必须适当安放偏振片的方向：如果0度放置，就可以完全确定光子偏振是0度还是90；如果45度放置，就可以完全确定光子偏振是45度还是135度。但是，对于0度放置的偏振片，45度和135度的偏振光子是无法区分的，只会误认为是0度或者90度；而45度放置的偏振片无法区分0度和90度的偏振光子，只会误认为是45度或者135度。

　　接下来，张三随机地发送第一类或者第二类的偏振光子，李四随机地安置检测偏振的构型。李四的构型跟张三匹配了，就会确定地得到光子的偏振类型，如果不匹配，得到的光子偏振类型就是错误的。张三和李四传送了一些光子以后，就用大喇叭告诉对方，我的每个光子是哪一类的偏振，李四挑出那些与张三传送类型匹配的测量构型（有一半的几率），就能得到正确的偏振构型了——这就是量子密码传送。

　　王麻子想偷听，只能像李四一样瞎猜一个构型，然后截取张三发来的光子，测量其偏振构型，还要再发一个光子给李四，这个光子的偏振只能是王麻子自己测到的那个偏振类型（否则就白测了）。因为王麻子是瞎猜的构型，所以每次都有一半的几率猜错，这种错误就会反映在李四的测量上，李四也就知道有人在偷听了。

　　具体用数字说明一下。李四接到了1000个光子，又听到张三在大喇叭里喊的消息，找出那500次是与张三匹配的测量构型，如果测量的结果与张三500次都一样，就说明没有人在偷听：如果王麻子偷听的话，就会使得李四的结果有125次与张三的不一样（500的一半是250，250的一半是125），张三和李四就知道有人偷听了。

　　这是一个简单的协议（真实协议比这个稍微复杂一些，因为要考虑统计涨落和环境噪声等因素）。张三和李四传递信息，王麻子只能干瞪眼：他要么不干预，否则就会被发现。

　　但是，经典派似乎不承认这一点，总是认为有方法反制。例如金贤敏此次的“注入攻击”，或者以前的“探测器致盲攻击”。其实这些手段都需要有很强的光进入张三或李四的控制范围内，很容易被检测到。至于说李红雨提到的“非线性晶体下自发参量下转换攻击”，以及其他人说的“激光器就能大量复制光子”，都是违反了基本物理机制，望文生义导致的误解。他们对诱骗态协议的质疑，也是同样的望文生义。有些经典派走得更远，认为“量子不可克隆原理”不成立，其实就是反对整个量子力学的基础，这种精神状态恐怕不仅仅是用自大就可以描述的了。

　　上面选用的来自于李红雨文章的例子，颇能代表经典派的看法。不幸的是，他们描述的量子通讯的技术细节，完全是牛唇不对马嘴。甚至让人怀疑，这些反对者会不会是量子派的“托儿”？持这种观点反对量子通讯的，基本上算是“民科”，这样反对的人越多，量子派就越高兴——他们偷笑还来不及呢，哪里会出来反对？

　　简而言之，在目前的量子通讯争议里，经典派在战略上太托大，在战术上太自大，他们落在下风当然也就不出意料了。