阿里谢崇进：世界上最坚固的门轰塌后，我们要用量子加密通信再建一门

原创 2017-06-27 李勤宅客频道

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世界上没有一扇坚硬到无法攻破的门，但我们一直在努力建造。

1977年，罗纳德·李维斯特（Ron Rivest）、阿迪·萨莫尔（Adi Shamir）和伦纳德·阿德曼（Leonard Adleman）在提出 RSA 公钥加密算法后，这扇门看似牢固地守护着赛博世界。

RSA 加密算法当年号称无法破解，但是，这只是在计算力无法达到的时代的一种自我安慰。

微软研究院科学家早就意识到，破解RSA-2048de密钥可能需要耗费传统电脑10亿年的时间，而量子计算机只需要100秒就可以完成。然后，微软一头扎进了通用量子计算机的研究之中。

IBM、谷歌也是目前量子计算机领域的大玩家。

2013年，阿里巴巴初涉量子领域的研究后，2015年7月30号，阿里巴巴和中科院联合签署了在量子领域长期合作的备忘函，重点推进量子领域的研究和应用落地，并在2017年5月，中科院、阿里巴巴等机构研发出世界上第一台超越早期经典计算机的光量子计算机。

6月23日，在阿里巴巴举办的技术茶话会上，阿里巴巴首席通信科学家谢崇进称，在这样先进的科学研究领域，阿里巴巴和中科院的联合研究进展处于第一梯队中。

但是，在这样的领先优势下，阿里巴巴最先在量子通信的商用上有所进展的依然是“门”——他们希望，在世界上现在看上去最无法攻破的 RSA 加密算法因计算力提升而变得“有解”后，量子加密通信建立的这扇门能够守护赛博世界的平安。

自带铁齿钢牙的密码搬运工

要了解量子加密通信为什么是科学家寄以新希望的“门”，要从量子通信说起。

量子通信是指把量子态从一个地方传送到另一个地方，它的内容包含了量子隐形传态、量子纠缠交换和量子密钥分发。目前，将量子密钥分发和经典加密相结合的量子保密通信技术是目前唯一的安全性得到严格证明的通信安全技术，也是目前唯一实现了实用化、具备产业价值的量子通信技术。

在量子信道中，采用光量子叠加态承载共享密钥，根据量子力学的测不准原理和量子不可克隆原理，可实现密钥的无条件安全分发。经典信息再根据这个密钥由经典的加密体系加密后，通过经典通信线路进行传输。

目前，量子加密通信技术主要分为量子密钥分发和量子安全直接通信。

量子密钥分发：量子密钥分发技术是把密钥编码在量子态上，利用量子力学原理通过量子信道传输于发送者和接收者之间，用于保密通信双方之间建立和传送密钥，而经密钥加密后的消息密文仍然是通过经典信道传输的。已经实用。
量子安全直接通信：一种不同于量子密钥分发的量子通信形式，与量子密钥分发根本性区别在于，量子安全直接通信过程中，通信双方不需要事先生成密钥，而是通过直接建立量子信道的方式进行通信，即直接完成秘密信息的安全传输，而无需进行使用密钥的加密和解密处理。

不过，谢崇进告诉宅客频道，阿里现在研究的量子加密通信技术主要是指量子密钥分发，因为量子安全直接通信还处于基础研究阶段。

通俗地来说，在目前的量子加密通信中，并不搬运要传递的信息内容，而是加密信息的密码。

作为一名密码搬运工，怎么证明自己有铁齿钢牙、严刑拷打都不会松口的能力？

世界是不公平的，很多人对“拷打”不感冒，天然自带忠诚属性，比如，量子具备两个特性：

量子测不准原理

海森堡不确定性原理，也叫做测不准原理，即两个非对易的物理量是不可能同时被精确测量的。（物理中粒子的位置和动量是可以同时取确定值的，但在量子力学里面则完全不同。这是粒子波动性必然结果）

量子不可克隆原理

一个未知的量子态是无法被精确克隆的。这是窃听者无法通过复制量子态来欺骗通信双方的理论依据。

这就意味着：量子加密通信不依赖于传统的计算复杂性，靠计算力的提升也无法破解。

收发双方可以通过量子测量的方法检测出这些光子在传输的过程中是否遭到了窃听者的截获，一旦确认遭到窃听，则丢弃所传输的密钥或信息，从而确保过程的安全。

“你抓到了我？我吞毒药，鱼死网破你信不信？”

“山路十八弯”的经典量子密钥分发策略

量子“坚强不屈”，如果遇到领导“瞎指挥”，制定不靠谱的策略也没用。

量子密钥在编码、传输、解码的过程中，到底遵循什么样的路线，能顺利到达我方革命同志的手中？

在你的脑海里，也许浮现出这么一幅画面：我方同志乔装打扮，绕过二十条胡同，摆脱跟踪者后，转身进入一个小楼，然后再次换装，从隐秘后门而出，再次“山路十八弯”，从而到达目的地。

量子密钥的分发可能比这个更复杂。谢崇进介绍，科学界有这么几种经典方案：

1.BB84方案：

a) 4个量子态，2组正交的测量基；

b) 发送方随机选择量子态发送，接受方随机选择测量基测量；

c) 等发送和测量一组数据后，接受者告诉发送者每次他使用的是哪个测量基；

d) 由于发送者清楚地知道自己发送了哪些态，因此他也知道接受者选错了测量基还是选对了测量基，它通过公开信道告诉接受者保留哪些选对了的测量基的结果。

2.B92方案：

2个非正态就能够实现量子密钥分发，简化了BB84方案的过程，B92 方案中通信双方不用通过对比测量基就能知道保留哪些结果，节省了经典通信，但是传输效率下降了一半，有75% 的结果都被抛弃了，因此从实际应用的角度，BB84 方案应用更为广泛。

3.E91方案：

将一对相互纠缠的粒子分别发送给 Alice 和 Bob，让他们分别对其测量，当两个人选取的测量基一致时，Alice 可以通过自己的测量结果推测出 Bob 的测量结果，从而他们二者之间建立起了相同的密钥，这就是纠缠态能用于数据传递的原理。

如果存在窃听者 Eve，根据测量坍缩原理，他的测量行为一定会破坏粒子的纠缠，因此对安全性的检验就转化为了对纠缠的检验。

E91方案比BB84和B92方案能提供更高的安全性，这是由于纠缠的特性所决定的。但缺陷是，要制备出量子光对，有两组测量基，还要经历繁琐的验证过程，而且传输效率不会超过25%。

上述三种密钥分配方案，不论是哪一种，还要依靠基础设施建设：密钥分发网络技术。

目前，量子密钥分发网络节点的不同实现方式可将其分为三类: 第一类是由信任方为节点构成的网络，第二类是由光学器件作为节点构成的网络，第三类是由量子中继器或量子接力为节点构成的网络。

宅客频道了解到：

第一种：网络结构要求每个节点处必须是可信赖的，这是因为传递的信息( 密钥或者重要信息) 会保留在任何一个节点的存储器中，因此，这种网络保证了每条通信链路上的安全性，但依然存在的安全瓶颈就是信任节点的安全可靠性。
第二种:网络模型无法将密钥分发的安全距离延伸，同时，光学节点引入的插入损耗使得安全的传输距离缩短，网络中随着节点增多插入损耗随之增大，所以无源光学器件组成的量子密钥分发网络系统适用于一个城域范围内。
第三种：不同的纠缠光子在量子节点进行纠缠交换，这样量子节点将相邻两个节点之间发送的光子连成一个较长的传输信道然而由于量子存储、纠缠纯化等技术还不成熟，该方案目前还处于基础研究阶段。