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量子通信真的無法破譯嗎?

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答案恐怕并沒有你想象的那么樂觀。主要原因在于:理想很豐滿,現實一般卻很骨感,理論上很完美,但現實實現起來卻未必那么理想。為了加深大家對這個問題的理解程度,我稍微多說一點。

量子通信的主要方案

因為量子通信是一個比較新興的學科,有些術語的定義也不是那么明確規范。我們現在在談論量子通信的時候主要指這兩方面的內容:量子密鑰分發和量子隱形傳態。

量子密鑰分發是指利用量子的特性制造一個完全隨機不可破解的密鑰,然后用這個密鑰給要傳遞的信息加密。所以,這個過程里量子并沒有參與到信息傳遞中來,信息依然是通過傳統的方式傳遞的,只不過他有一個完全不可破解的密鑰,因此理論上是絕對安全的。

這部分已經比較成熟了,也有了非常多的量子秘鑰分發協議,其中最為著名的就是BB84協議(兩個名字帶B的老外在84年提出來的)。

量子隱形傳態是利用量子糾纏的原理實現量子比特之間的通信,這里面傳遞的就不再是經典的比特信息而是量子比特。經典比特不是0就是1,但是量子比特是0和1的一個疊加態,它的大致過程是這樣的:先產生一隊糾纏粒子A和B,假設A在地球B在火星,然后我想把帶有信息的 C粒子發送到火星,我就先同時測量A和C,這樣測量之后A和B之間的量子糾纏態就斷了,與此同時A和C糾纏到一起了,然后我通過經典通信方式(電話或者QQ)把我對A和C測量的操作告訴B,然后B通過很簡單的操作就能在火星上完全復原C粒子的狀態。這看上去就是攜帶了量子比特信息的C無損的從地球傳遞到了火星。

量子隱形傳態非常麻煩,現在還處在基礎研究的階段,因為他傳遞的是量子比特,所以,這應該是未來量子計算機之間通信的主要方式。

所以,目前提到的量子通信,主要還是指量子密鑰分發,所謂量子通信是否能破譯的問題,也主要是密鑰分發上的,量子隱形傳態這種暫時還沒邊的事,談破譯破解還太早了一點。而且我在文章一開始就說了,是否能破解主要不是理論的問題,而是技術實現的問題,漏洞也不在理論而在技術實現上。

BB84協議干了啥?

說簡單點,BB84協議是通信雙方為了協商一個完全隨機不可破譯的密鑰的過程。傳統的密鑰按照一定的規律加密,接收方按照一定的規律解密,問題是這種規律是理論上是一定可以被破解的,問題只是破解的難度大小而已,因為只要規律存在,理論上就一定有辦法找到。

那么,什么樣的密鑰是完全沒辦法破解的呢?答案就是完全沒有規律的密鑰。就像風清揚說的,任何招式你想得再精妙,只要你有招式,別人就可以破解,如果我無招,別人就沒法破解了。有人會說你說得簡單,完全沒有規律的密鑰哪里去找?當然是來量子世界里找,量子的狀態那可是真正完全隨機的,沒有測量之前上帝都不知道他是啥樣。

BB84協議就是使用單個光子偏振不同的方向來代表不同的狀態,根據量子不可克隆原理,如果光子在傳輸過程中被第三方測量過了通訊,那么他的狀態就有可能改變。之所以說有可能,是因為大家測量光子的偏振方向是使用偏振片來測量的,如果偏振片的方向剛好跟光子偏振的方向一樣,那么光子的狀態遍不會發生改變,就好像跟沒事發生似的,但是如果偏振片的方向跟光子偏振的方向是相反的,那不好意思,光子的狀態就要改變了,這時候接收方就有可能知道有人在監聽。

就好像你拿一根竹竿,剛好是豎著從門經過,便什么事都沒有,如果橫著過就死活過不去,但是單個光子具有量子特性,即便是橫著也能過去,只不過過去之后狀態要改變而已。

利用這個特性,通信雙方便能協商出一串完全沒人監聽過,十分安全隨機的密鑰,然后信息發送方利用這個密鑰對要發送的信息進行加密,這樣的信息就是絕對安全的。

安全隱患在哪里?

理論上,我們從上面的分析可知,對于每一個光子,第三方監聽者都有50%的概率蒙對,但是考慮到協商密鑰的時候一般都會發送很多光子,每加一個光子第三方蒙對的概率就會減半,所以當數量一大的時候這個可以完全忽略不計。之所以提這個是想讓大家明白BB84協議并不是絕對安全,但是完全可以認為是絕對安全。

理論沒問題,問題主要出在技術實現上了。

第一個大問題就出現單光子上了。因為BB84協議是利用單個光子不可克隆原理保障其安全性,但是這是一個很理想的環境,一個光子哪有這么好弄?現在都是讓一定的激光脈沖衰減很多倍,讓他盡量的模擬單光子,但是這里面肯定是有誤差的,量子黑客利用這個就可以進行攻擊。這種漏洞科學家們可以向辦法去補救,比如利用誘騙態量子密鑰分發來解決這個問題,但這更多像是微軟發布了一個系統補丁,并非從根源解決了問題(找到理想的單光子源),誰知道補丁里又會有什么新的漏洞呢?所以,這里將出現一個雙方的攻防戰。

接下來接收設備也是問題,單光子啊,要相隔幾千公里讓一個光子成功的被接收器接收到,光想想就知道這難度有多大了。先不考慮黑客,光是光子本身的衰減,自然環境天氣變化的種種(因為在自然條件下光子衰減得比光纖里少多了)都讓人頭疼不已,如果一個人想破壞這個情況那也太容易了,當然,科學家們也不是吃素的。所以,這里又將出現一系列的攻防戰,科學家們提出更新的方案,黑客提出更新的攻擊方案。

……

結語

追求完美是一種病通訊,不完美的才是真實的人生。再完美的理論,實現起來都會有很多漏洞,絕對的安全依然任重而道遠。但是不管怎樣,我們還是得感謝量子通信給了人類另一種可能的思考方式。

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