“量子保密通信太慢所以沒用”為什么是錯的？現在都能百兆了 | 袁嵐峰

關注風云之聲，提升思維層次

導讀：現在如果有人跟你說，能讓你的通信絕對保密，速率有一百多兆，愿意接受的人是不是就多得多了呢？

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你家的網速是多少？現在千兆網線很常見，考慮到效率損失后家里網速達到幾百兆很正常。例如我家剛才測了一下，從路由器到互聯網的網速是349兆每秒。

您的網速相當于349 M

那么現在如果有人跟你說，給你提供一項高新技術，但網速下降到只有一百兆出頭，你干不干？你肯定會覺得很可笑，不會同意。但假如他再補充一點，這項高新技術可以讓你的通信完全安全，再也沒有泄密之憂，你干不干？

這項高新技術，就是量子保密通信，或者稱為量子密碼（quantum cryptography）、量子密鑰分發（quantum key distribution，簡稱QKD）。它最大的特點，就是能夠實現“無條件安全”（unconditional security），即敵人即使有無限的計算能力，也無法破解你的密碼，這是能夠想象的最高程度的安全。而目前常用的保密方法都是“有條件安全”（conditional security），即敵人的計算能力如果夠強，就可以破解你的密碼。因此，量子密碼在本質上就比傳統的保密方法安全得多，設想中的量子互聯網也被稱為“不可破解的網絡”。

《量子互聯網的未來》（2023年1月11日發表于《人民日報》科技大觀欄目）

然而如果你問我，量子密碼有什么缺點，我就會老老實實地告訴你：太慢了。例如2021年1月有一個大新聞，中國科學技術大學宣布建成天地一體化量子通信網絡。這指的是天上的“墨子號”衛星和地上的“京滬干線”，前者實現了天地之間的量子保密通信，后者實現了從北京到上海2000公里距離上的量子保密通信，兩者組合起來實現了天地一體化的量子通信網絡。

中國的天地一體化量子通信網絡

然而京滬干線的傳輸速率是多少呢？論文表1里給出了數據：最低28.1 kbps，最高235.4 kbps，平均值只有79.3 kbps！這個單位甚至不是M，而是k！也就是說，一秒連一兆都不到。

《Nature》論文表1：天地一體化量子通信網絡中骨干網、四個城域網（北京、濟南、合肥、上海）、兩個地面站（興隆、南山）以及墨子號衛星的各種指標（中繼數、節點數、用戶數、連接數、平均長度、損失率、成碼率）

幾十k的傳輸速率，一下子讓我們夢回九十年代，剛開始上網的時候。那時典型的上網設備叫做“貓”，即MODEM（調制解調器），典型速率就是幾k、幾十k。用這種龜速看看文字還行，但是傳個圖片就要等老半天了，聽個音樂都費勁，看電影就更不用提了。這種網速還會讓經歷者回憶起一些上古文化，如校園BBS和網絡小說《第一次親密接觸》……

《第一次親密接觸》

為什么量子保密通信會如此之慢？因為實際上它是一種利用量子力學操作產生密鑰的方法，量子力學的奇妙之處在于能夠讓通信雙方直接共享一段相同的隨機字符串作為密鑰，不需要第三者的信使。這就是為什么如前面所說，它有個技術性名稱叫做量子密鑰分發（quantum key distribution，簡稱QKD）。但產生密鑰之后，要達到無條件安全，就必須“一次一密”地來用，即一段密鑰只能用一次。這還沒完，密鑰的長度還要和待傳輸的明文信息一樣長。也就是說，如果你要無條件安全地傳輸一本《紅樓夢》，那么你產生的密鑰就需要跟《紅樓夢》一樣長！

《紅樓夢》電視劇

而且一次一密意味著，這么長的密鑰還只能用一次。下次你如果又要傳一本《水滸傳》，那么你不能把剛才的密鑰拿來再用，你必須再產生一段跟《水滸傳》一樣長的密鑰。

《水滸傳》電視劇

至于密鑰產生了以后怎么傳加密的密文，那倒是非常簡單的：用任何常規的通信方式都可以，因為這樣加密的密文已經是不可破解的了。因此，量子保密通信分為兩步，第一步是密鑰的產生，這一步是慢的，第二步是密文的傳輸，這一步是快的。這就決定了，量子保密通信的信息傳輸速度取決于第一步即密鑰產生的速度，術語叫做成碼率（secret key rate，簡稱SKR）。實際上，前面論文里那個表列出的就是成碼率。

下面重點來了：量子密碼的成碼率天然地就比較低，因為它在產生密鑰時，一次只能發一個光子。是的，這是跟常規通信的一個根本區別。常規的通信可以發很強的一束光，里邊包含很多個光子，但量子密鑰的產生過程一次只能發一個光子。

為什么呢？如果你只發一個光子，敵人就無法從中偷到信息，因為他不可能偷走半個光子。光子就像電子一樣，只能有零個、一個、兩個、三個，不可能有半個。而假如一次發多個光子，敵人就有可能通過偷走其中的一個來竊密了，這叫做“光子數分離攻擊”（photon number splitting attack）。所以一次發一個光子正是量子密碼的一大技術關鍵，完全封住了光子數分離攻擊。然而這也就決定了，它的成碼率會比較低。畢竟，一次傳一個光子怎么可能趕得上一次傳多個光子呢！

光子數分離攻擊

因此，量子密碼在實用過程中最顯而易見的瓶頸就是成碼率。畢竟如果跟你說，現在我能讓你的通信絕對保密，但速率只有幾十k，大多數人恐怕都不會接受，——除非你的信息是真正的絕密，要不惜一切代價保護的那種。

在我做量子信息科普的這些年中，我見過許多對量子信息的攻擊，各種角度的都有。其中比較有技術含量的一種就是：量子保密通信的成碼率太低，所以沒用。例如大家搜一下“成碼率”這個詞，立刻就能見到類似這樣的文章《量子通信技術困境之一：極低的成碼率》。來給大家摘引幾句：

“在現代化高速、實時、多媒體互動通信的舞臺上，蝸牛般低速的成碼率使得量子通信沒有任何立足之地。……QKD極低的成碼率是被物理原理所決定的，靠工程技術很難發生實質性的改變。……在現代高速率、低延遲通信時代，超低成碼率的量子密鑰分發技術沒有任何切入口，是不可能有應用前景的。”

這樣的文章往往充滿各種術語，讓外行產生一種不明覺厲的感覺。于是乎，許多人就認定，量子保密通信是騙局，搞這些的潘建偉等人是騙子。

真的是這樣嗎？下面來給大家看一條新聞：依托中國科學技術大學組建的中科院量子信息與量子科技創新研究院潘建偉、徐飛虎等與上海微系統所、濟南量子技術研究院、哈爾濱工業大學等單位的科研人員合作，首次在國際上實現百兆比特率的實時量子密鑰分發，將此前的成碼率紀錄提升一個數量級。該成果于2023年3月14日在線發表于《自然·光子學》。

《超越110兆每秒的高速率量子密鑰分發》

這里說的百兆比特率具體是多少呢？是10公里標準光纖信道下115.8 Mbps。現在如果有人跟你說，能讓你的通信絕對保密，速率有一百多兆，愿意接受的人是不是就多得多了呢？

為什么會出現這樣峰回路轉的發展？前面那種認為量子密碼沒用的文章錯在什么地方？錯在用靜止的眼光看問題。

前面的引文里有一句：“QKD極低的成碼率是被物理原理所決定的，靠工程技術很難發生實質性的改變。”實際上，物理原理只能決定量子保密通信的傳輸速率比常規通信低，但并不能決定它的上限。近年來的實踐是，量子密碼的成碼率在快速增加。

例如，前面說的京滬干線79.3 kbps看起來很低，但你猜它的設計指標是多少？是8 kbps！從8到80，實際上它已經超出預期十倍了！

又如最新的百兆級新聞里有一句，將此前的成碼率紀錄提升一個數量級。這說的就是，以前的最高紀錄是10兆的量級，2018年實現的，現在提升到了百兆級。這些都反映了技術進步的速度。

如果你非常有好奇心，你也許會問，百兆級成碼率是如何實現的？答案可想而知，需要很多方面的進步。例如在發送端，發展了集成光子片上高速高保真度偏振態調制技術；在接收端，發展了高效率、低噪聲、高計數率的超導納米線單光子探測器。

這個超導納米線單光子探測器特別值得提一下，它是目前最好的單光子探測器，在量子通信之外的領域也有很多應用。尤其有趣的是，它是中國生產的，不是進口的哦。具體而言，是中國科學院上海微系統與信息技術研究所尤立星團隊。

更加有趣的是，尤立星老師自己最初都認為這是不可能的！在參與“九章”光量子計算原型機研制之前，他的單光子探測器效率一直徘徊在10%左右。剛接到“九章”提出的“探測效率要達到80%”的目標時，他認為是“不可能的任務”，“沒想到經過幾年的‘倒逼’，竟然真的達標了，而且還發現了更多改進空間”。

《協同創新“聯合艦隊”打造最核心量子科研基地》（《文匯報》 2021年9月9日 第9版）

這個故事給我們一個更大的圖景，就是基礎研究對工程應用的拉動。例如中國高能物理學界在為江門中微子實驗做準備的時候，把中國的光電倍增管水平提高了一大截。又如中國在為國際熱核聚變實驗堆（ITER）提供超導線的過程中極大地提高了水平，從一年幾公斤做到了幾百噸，變成了全世界的領導者。因此，以一時的技術指標不足就認為一個領域是騙局，這屬于一種典型的思維謬誤，客氣地說就是刻舟求劍。

這還啟發我們，對像量子密碼這樣的顛覆性科技，應該首先認識到它在質的層面的突破，認識到這是它的根本價值。如果有人說，它在量的層面有多少多少不足，所以它沒用，你應該想到，那些是可以改進的。正如火車剛出來時沒有馬車跑得快，但有遠見的人都能看出火車的前景比馬車強得多。類似的道理不僅適用于量子密碼，也適用于核聚變、量子計算、太空探索等很多領域。對這些領域也有人說它們是騙局，其實都是同樣的思維謬誤。

如果你能分清質和量，你就不會被那種充滿術語的民科文章誤導，你的思維層次就超過了99%的人。正如比爾·蓋茨的名言：“人們總是高估未來兩年的變化，低估未來十年的變化。”又如科幻大師克拉克的名言：“如果一位年高德劭的科學家說，某件事情是可能的，那他很可能是正確的；但如果他說，某件事情是不可能的，那他很可能是錯誤的。”

最后說一件有趣的事，即使京滬干線的平均速率只有79.3 kbps，它卻已經能支持很多應用，包括量子保密通信手機、人民幣跨境收付信息管理系統、電力業務數據量子加密傳輸等。這是為什么呢？因為只要合理規劃，絕密數據的量其實可以很小。例如軍用命令體系里一個數字可能就足以代表一系列的戰術操作，這些戰術方案都是早就制定好的。更進一步，有些應用并不需要實時生成密鑰，這時低成碼率就完全不是問題了，在不用的時候產生密鑰積累起來，要用的時候隨時取用，不就行了嗎？關于這些具體應用，可以見我的科普書《量子信息簡話》。

《量子信息簡話》

擴展閱讀：

《人民日報發表袁嵐峰文章：量子互聯網的未來》

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作者簡介：袁嵐峰，中國科學技術大學合肥微尺度物質科學國家研究中心副研究員，中國科學技術大學科技傳播系副主任，中國科學院科學傳播研究中心副主任，科技與戰略風云學會會長，“科技袁人”節目主講人，安徽省科學技術協會常務委員，中國青少年新媒體協會常務理事，中國科普作家協會理事，入選“典贊·2018科普中國”十大科學傳播人物。

來源: 風云際會（合肥）文化傳播有限公司

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