前沿速递 | 量子通信的价值到底在哪?

发布时间:2020-05-06

  作者:北京邮电大学 杨义先教授   来源:杨义先科学网博客
  
  如今,一提起量子通信,许多人马上就会想到“绝对安全”,其实这是不对的(详见[1]);比如,黑客只需动用很简单的“鱼死网破”攻击法,就能让这种量子通信系统瘫痪,即,黑客对通信双方的纠缠态量子进行不断的测量就行了。所以,准确地说,目前媒体上广泛声称“绝对安全”的那种量子通信,只能是绝对保密的;但绝对不是“绝对安全”,而且还是相当不安全,相当脆弱的。“安全”是一个远比“保密”大得多的概念:能保密的通信,不等于就安全;但安全的通信,肯定应该包括能保密。
  
  但非常奇怪的是,不知为何,量子通信的另一个更加巨大的潜在价值,却至今仍被各方忽略;那就是,量子通信也许将成为拯救人类通信即将面临的“香农信道容量危机”的唯一一根救命稻草,至少目前还没发现第二根。今后,如果量子通信真的成了现代通信的“救世主”,其价值当然远远超过构造一套颇具争议的“绝对安全”通信系统。
  

  “香农信道容量危机”是什么呢?原来,随着5G手机等为代表的通信技术的飞速发展,端到端通信的香农信道容量极限,即将被逼近。啥意思呢?端到端信道的信息传输能力,将再也没有巨大潜力可挖了!若用科幻小说“三体”的俗话来说,端到端通信的理论,就被三体人的“智子”锁死了。更麻烦的是,如今包括通信网、互联网等在内的所有信息网络,都是借用诸如时分复用技术、频分复用技术、码分复用技术等,在“瞒过”人类生理感官的前提下,将许多“端到端信道”生硬地拼接而成的“假网络”。一旦这些“假网络”中的某些“端到端信道”的容量达到极限后,整个“假网络”就必然出现“心肌梗塞”。如果再加上信息领域的另一个危机,摩尔定律危机(即,信息存储介质的增长速度,即将慢于“摩尔定律”的预期),那么,整个信息领域的发展,也就基本到头了,信息领域的专家们就可以准备“洗洗睡了”。

  如何才能突破“香农信道容量危机”呢?肯定不能再在“端到端通信”线路上做文章了,唯一的希望,就是在“网络”上面下功夫,即,搭建真正的“网络”。什么才是真正的“网络”呢?这还真不好说清楚,但可以肯定的是,除小规模局域网等小型网络之外,目前全球的所有大型网络都不是真网络,因为,它们都可能发生局部“心肌梗塞”。幸好,控制论的创始人维纳,于1950年提出的对话网络(详见[2]),以下称为“维纳网络”,不会发生局部“心肌梗塞”,所以暂且认为它是一种真正的网络;而且,好像再也找不到整体传输能力比“维纳网络”还大的网络了。有关“维纳网络”的细节描述,此处就省略了,大家不妨将它粗略地想象成“带权值的全联通网络”;有关“维纳网络”的信息传输容量极限,请见《安全通论》第八章“对话的数学理论”([3])。
  

  如何搭建“维纳网络”呢?让我们用排除法来进行“地毯式搜索”吧。首先,“不能被重叠的信息载体”都派不上用场,所以,“真网络”中的信息载体必须具有“可重叠性”;而波和量子纠缠,才是少有的具有“可重叠性”的信息载体。再看波类载体,声波显然不行,它根本就传不远,因此只剩电磁波了。但受限于电磁波的频谱,无论多么精细的切割,都不可让全球用户同时共享一个频段,只能采取诸如蜂窝网等现行策略;但是,一旦出现哪怕一个蜂窝,它就是潜在的局部“心肌梗塞”点,相应的网络就不再是“真网络”了。于是,根据人类现有的知识,好像最终唯一的信息载体备选,就只剩下量子纠缠了。

  如何用量子纠缠来搭建“维纳网络”呢?为了叙述简单,此处只考虑权值都为1的“维纳网络”,即,几何上的全联通网络。利用量子手段,可以这样来搭建“维纳网络”:把已经处于纠缠态的M个粒子,分配给世界各地的M个用户。当某用户想传输信息时,他便将具有未知量子态的粒子与自己的纠缠粒子进行联合测量(一种操作),则其它用户的纠缠粒子将瞬间发生坍塌(变化),坍塌(变化)为某种状态,这个状态与发送方的粒子坍塌(变化)后的状态是对称的。于是,发信方只需按事先约定的时隙,照搬约200年前的摩尔斯电码编码规则,只不过将当年的电路“通”与“断”,分别替换为现在量子态的“测量”与“不测量”(或“坍塌”与“不坍塌”,或“变化”与“不变”)就行了。于是就可将这M个用户,连接成一个实时的全联通网络,使得它们能像在同一办公室面对面进行“头脑风暴”一样。当然,为了提高这种量子网络的编码效率,还可完全照搬当前通信领域的所有现成编码规则,只是将比特信息“0”和“1”分别替换为量子态的“测量”和“不测量”就行了。注意,如果不存在外部干扰(窃听),此处量子网络的全网同步问题非常简单,只需约定一个同步码(比如,连续K次测量)就行了。当然,以上思路还面临着许多技术挑战,比如,怎样让代替全网N个用户的量子中的任何M(M   
  总之,真心希望国内外物理学家和通信专家共同努力,早日捡起“量子维纳网络”这个西瓜,别只盯住“绝对安全”的那粒已被污染的小芝麻。
  
 参考文献
  
  [1]杨义先,量子的安全笑话,科学网博客,网址:
  
  http://blog.sciencenet.cn/blog-453322-1010441.html
  
  [2] N.维纳著,陈步译,人有人的用处,北京:北京大学出版社,2014年6月。
  

  [3] 杨义先,钮心忻,安全通论,北京:电子工业出版社,2018年。


 作者简介
  
  杨义先,《安全简史》、《安全通论》、《黑客心理学》、《博弈论系统论》和《科学家列传》作者,北京邮电大学教授、博士导师、首届长江学者特聘教授、首届国家杰出青年基金获得者、国家级教学名师、国家级教学团队(“信息安全”)带头人、全国百篇优秀博士学位论文导师、国家精品课程负责人。现任北京邮电大学信息安全中心主任、灾备技术国家工程实验室主任。


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