陈宇翱：量子通信与信息安全 | 量子年夜饭（二）
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前言：
近来媒体有很多报道，我们个人的隐私有泄露的情况。南都记者用600块钱可以买到同事的精准定位，300块钱可以买到高考以来所有的身份证使用有关的记录，甚至打包买还可以打折。我也经常会收到类似的短信，说可以帮我复制一张和他人一样的手机卡，能监听他的电话、QQ。这些都表明我们无时无刻都处于个人隐私被泄露的风险之中。
演讲 | 陈宇翱（中国科学技术大学近代物理系教授）
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信息危机
现在有报道称因为个人隐私泄露所造成的经济损失，全球范围内达到上千亿美元，我们知道从U盘，到海底光缆（我们从前以为它很安全），再到现在通过潜艇可以进行无感的窃听。那么无论个人隐私也好，甚至是国家的安全都需要信息的保障。
由古而今
其实早在公元前400多年的时候，古希腊时代就已经有一些加密的技术。
古希腊人最早是拿一个棍子，把这个指令缠在上面，打开后就看不出原来的指令了，你必须用原来的棍子把它缠上才能看到指令。当然如果这个棍子不规则就更难破解一些。
再往后，凯撒大帝开创性地使用一个叫移位的编码，他相当于把字母移开4位，比如说D对应A，E对应B，F对应C这样子。后来发现我们讲话的过程当中，其实字母的使用频率是固定的，通过统计字母的使用频率可以完全地破解这种加密方式。
接着在二战时期，德国人机械水平领先，它是通过纯机械的方式构建了Enigma机器，就是密码机，用纯机械产生1亿亿种的组合，这个看上去好像很难破解，确实在起初束手无策，造成了很多损失。
后来图林最早发明了我们现在的计算机的第一代雏形Bombe机，破解了Enigma机，导致了二战的结束。那么为什么它能够被破解呢？因为尽管觉得1亿亿种很多，其实它还是有限的一个数字，一直到后来，包括我们现在有的公钥体系用户，比如说现有的我们银行的加密体系里面，包括Google邮箱使用的公钥体系，都是基于计算的复杂度。
新的方案
比如说你要破解这个密码，你用全世界所有计算机加起来，加起来你要给他算10万年才能把它破解。在这种情况下就认为是安全的，但是不管怎么样它始终是可被计算的，那可被计算的，有一天当我们的计算能力达到一定水平的时候它就能够被迅速破解，而目前所有的公钥体系，都可以被量子计算所破解。
怎么解决这个问题呢？早在其实在上个世纪50年代的时候就已经给出了方案，如果我用的密钥跟明文一样长，而我的密钥完全随机地产生，什么意思呢？我对你每一个比特的加密方式，比如说对这个移一位，对这个移两位，每次都不一样，当密钥长度跟明文一样的时候，有无限种组合，意味着你无论多强的计算能力都没有办法把这个计算出来。
它这个叫做无条件安全。
方案现在有了，问题就是两个通信人之间怎么把密钥传递过去？比如说我跟潘建伟老师建立通信，我怎么把密钥传给他？当然最笨的方法就是我拿个密钥本子跑到潘老师家里交给他，下次我跟他通信就可以了。
但是密钥总会用完，另外有些场合我也没办法去，这该怎么办？而且现在我们的数据量是非常非常大的，我们每天在因特网上，我们家的带宽也已经到50M了，每秒钟50M 的数据，需要一个非常大的硬盘才能够装载这些密钥。利用量子通信的方式，就开创性地提供了一个手段。
秘钥分发
我这里简单介绍一下量子密钥分发的原理。在我们经典的通信中，信息都是以光的能量来编码的，编码0和1，能量很强的时候是1，能量弱的时候0，你仔细看的时候，发现不光是1，0的时候里边也有非常多的光子，这个时候如果我把这个光线稍微弯折一下，或者是让它稍微漏出一点点光来，只要我的探测能力足够，我就能够读取出全部的信息来，NSA（美国国家安全局）监听的时候，也是监听数据传输线路上的，从光纤里泄露出来的信息。
那量子通信是提供了这样一个开创性的方式，突破传统，它使用单个光子的量子态来携带密钥信息，但这个密钥信息有什么好处呢？
第一，它是单个光子，不能被砍一半，因此它没有办法被复制，一旦你去看它它就会变化。这样一来我就可以跟潘老师传密钥的话，我先给他传一堆随机数，因为这个里面不携带任何的信息，只是密钥，我们去看到底这组密钥有没有人去窃听，有人窃听我就不要了，我再传，一直到我确保传递的信息没有被窃听的情况下，这个时候我再利用一次一密的方式进行加密。
量子密钥分发就提供了一个无条件安全的密钥分发手段。
这个密钥分发最初是1984年提出来的，第一个实验是1992年，在自由空间中走了大概32厘米，在此之后大家都把它放在光纤里面去做，距离也是越做越远，但是这里面其实有个问题，所有的这些实际的安全距离都不远，这些细节我就不讲了。
不管怎么样，我们知道光纤有个很大的问题，光纤有损耗，我传的距离很长以后这个光子就没了，没了以后就没有办法把密钥正确地传递过去，怎么办呢？
我们在实验室里有一种方法就是用中继的方式，比方说我要给彭承志传密钥，我先给潘老师传，然后潘老师再给彭承志传，在这种方式下可以我和彭承志之间就能建立起密钥来。
但这个方法有一个问题，潘老师是知道我和彭承志的密钥的，意味着什么？意味着我跟彭承志所有的通信他如果想要窃听都可以听到，当然潘老师没关系，如果换成另外一个不可信的人就有问题了。
量子中继
首先是量子力学给我们提供了这么一种手段，这里不放潘老师，而是把这个量子的装置放在这里，可以做一个量子中继。这个量子中继有什么好处呢？他可以允许我和彭承志之间通信，或者不允许。但一旦他同意我们通信，给我们建立密钥之后，他是没办法知道我们密钥的内容的，我们就可以建立安全通信了。
目前我们最好的光纤直接通信的限制是这样的，如果我们想传1千公里，直接用1千公里的光纤来传，用目前实验技术还不能达到。如果用最好的最快的光源配上最完美的探测器，每一个世纪能够传0.2个光子，这是直接传的方式。
那量子中继发展到哪一步了呢？量子中继最好的技术也是在我们实验室，目前量子中继发展到在500公里以内不计成本的话，在500公里以内我们已经能够做到1秒钟（传递）一个（光子）。
但是我刚才提到，我们每秒钟所需要传的数据其实都非常非常多，每秒钟一个肯定是不够的。那怎么办呢？一种方式就是下篇彭承志会和大家讲的利用卫星。另外一种方式，当初我们跟用户做了一些城市内的通信之后，有一些用户比如银行和银监会找我们，跟我们调研量子通信的情况，我们跟他们说，目前只能做在城市里面，城市与城市之间量子通信问题在这，现在不能很快用量子中继的方式做，无条件的安全通信方式做不了。
银监会听了我们的介绍之后，他们非常激动，他们说没关系，你这个不需要完全用量子通信的方式，用可信通信方式对用户来说已经足够好了，为什么？我们从前的通信里面，比如说北京到上海2000多公里的光纤，整个光纤上任何一个点我都需要保护，都有可能有信息的泄露，但是用可信（中继）的方式，那么我从一条线上的信息泄露的风险缩小到了在几个点上面，本来每个点都要保护，两千公里就是无数个点，现在只要保护32个。
在这种情况下，加上其他用户需求推动，我们开始在发改委的支持下和地方政府一起合作，开始建立北京到上海之间的量子保密通信京沪干线，这是由我们中国科大承担，由中国有线提供光纤电视。然后银监会、工商银行、民生银行、新华社是用户。
目前的应用是银行，北京到上海之间的数据中心的远程数据灾备 、同城之间的数据中心的灾备 、金融信息数据采集，现在其实随着建设的推进，包括上海证券、保险都加进来，包括其他银行如中国人民银行、中国银行也都开始使用我们的服务。
目前的建设情况是北京到上海之间的光缆已经打通，目前正在应用测试，各个银行要把他们的数据加载上来跑，看看稳定性这些到底怎么样，预计在年后会正式交付使用，这个是当时现场安装的一些照片。这个是上个月我们在上海的时候举办了一次国际会议，来自18个国家的将近400位专家来到这边，我们向他们演示了合肥到上海之间的量子加密的视频通话。
安装现场1
安装现场2
►会议现场
通信网络
回过头来看我们互联网的发展历程，因特网最初是在上个世纪70年代，只是在美国国防部支持下的几个大学之间，相当于大学实验室里面的场景，只有几个大学之间点对点的连接。
到后来70年代末，基本上每个学校实验室都有了，但是学校和学校之间都是点对点的连接，比如说中间断了，两个学校之间没有办法交流。
一直到1988年，美国自然科学基金委（NSF）提出了 NSF骨干网的计划，开始开建横跨东西海岸的一个骨干网。在这个之后以每年15%的速度增长，一直到1995年因特网就基本上覆盖了整个美国，NSF也就退出了舞台，把这个因特网就交给了公司去运营。
我们其实希望能够在基于京沪干线的基础上，继续构建多横多纵的（通信）网络。
其实讲到这里，经常有朋友会问我，说宇翱你做这个东西，作为吃瓜群众能感受到什么？我觉得这个问题其实挺难回答，为什么？因为我觉得问题提法有点不对。
是这样，最早孙子讲过，善战者无赫赫之功。墨子有个很有意思的故事，当时鲁班建了云梯，楚国想要攻打宋国，墨子的思想是“兼爱、非攻”，听到这个故事以后跑过去，就跟鲁班激辩，最终劝说楚国放弃了这个计划，结果他回去的时候下雨路过宋国，人家守城的人根本都不让他进，躲一下雨都不让他进。
这个故事想表达什么呢？刚刚那个问题，应该这样问，作为吃瓜群众，未来不一定能够感受到什么，但是我想说经过我们的努力，当我们构建多横多纵的网络之后，当我们构建天地一体化的自主可控的网络之后，我们一开始讲的信息泄露慢慢地会退出舞台，慢慢地你就感受不到了，就不会再发生。
本文原载微信公号《墨子沙龙》，《知识分子》获授权刊载，略有修订。
制版编辑：姚兰婷 |
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