不可被破解的量子互联网，到底是个什么网？ | 袁岚峰
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导读
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。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。
2020年7月23日，美国政府宣布了建设量子互联网的蓝图（https://www.energy.gov/articles/us-department-energy-unveils-blueprint-quantum-internet-launch-future-quantum-internet），提出要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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
背景简介：本文作者袁岚峰，中国科学技术大学化学博士，中国科学技术大学合肥微尺度物质科学国家研究中心副研究员，科技与战略风云学会会长，“科技袁人”节目主讲人，安徽省科学技术协会常务委员，中国青少年新媒体协会常务理事，入选“典赞·2018科普中国”十大科学传播人物，微博@中科大胡不归，知乎@袁岚峰（https://www.zhihu.com/people/yuan-lan-feng-8）。本文应新华社之邀写作，节选版本2020年8月19日发表于《环球》杂志（不可被破解的量子互联网，到底是个什么网？）。 责任编辑：祝阳