作者：北京郵電大學(xué) 楊義先教授   來源：楊義先科學(xué)網(wǎng)博客
  
  如今，一提起量子通信，許多人馬上就會想到“絕對安全”，其實(shí)這是不對的（詳見[1]）；比如，黑客只需動用很簡單的“魚死網(wǎng)破”攻擊法，就能讓這種量子通信系統(tǒng)癱瘓，即，黑客對通信雙方的糾纏態(tài)量子進(jìn)行不斷的測量就行了。所以，準(zhǔn)確地說，目前媒體上廣泛聲稱“絕對安全”的那種量子通信，只能是絕對保密的；但絕對不是“絕對安全”，而且還是相當(dāng)不安全，相當(dāng)脆弱的?！鞍踩笔且粋€遠(yuǎn)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，肯定應(yīng)該包括能保密。
  
  但非常奇怪的是，不知為何，量子通信的另一個更加巨大的潛在價值，卻至今仍被各方忽略；那就是，量子通信也許將成為拯救人類通信即將面臨的“香農(nóng)信道容量危機(jī)”的唯一一根救命稻草，至少目前還沒發(fā)現(xiàn)第二根。今后，如果量子通信真的成了現(xiàn)代通信的“救世主”，其價值當(dāng)然遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過構(gòu)造一套頗具爭議的“絕對安全”通信系統(tǒng)。
  

  “香農(nóng)信道容量危機(jī)”是什么呢？原來，隨著5G手機(jī)等為代表的通信技術(shù)的飛速發(fā)展，端到端通信的香農(nóng)信道容量極限，即將被逼近。啥意思呢？端到端信道的信息傳輸能力，將再也沒有巨大潛力可挖了！若用科幻小說“三體”的俗話來說，端到端通信的理論，就被三體人的“智子”鎖死了。更麻煩的是，如今包括通信網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)等在內(nèi)的所有信息網(wǎng)絡(luò)，都是借用諸如時分復(fù)用技術(shù)、頻分復(fù)用技術(shù)、碼分復(fù)用技術(shù)等，在“瞞過”人類生理感官的前提下，將許多“端到端信道”生硬地拼接而成的“假網(wǎng)絡(luò)”。一旦這些“假網(wǎng)絡(luò)”中的某些“端到端信道”的容量達(dá)到極限后，整個“假網(wǎng)絡(luò)”就必然出現(xiàn)“心肌梗塞”。如果再加上信息領(lǐng)域的另一個危機(jī)，摩爾定律危機(jī)（即，信息存儲介質(zhì)的增長速度，即將慢于“摩爾定律”的預(yù)期），那么，整個信息領(lǐng)域的發(fā)展，也就基本到頭了，信息領(lǐng)域的專家們就可以準(zhǔn)備“洗洗睡了”。

  如何才能突破“香農(nóng)信道容量危機(jī)”呢？肯定不能再在“端到端通信”線路上做文章了，唯一的希望，就是在“網(wǎng)絡(luò)”上面下功夫，即，搭建真正的“網(wǎng)絡(luò)”。什么才是真正的“網(wǎng)絡(luò)”呢？這還真不好說清楚，但可以肯定的是，除小規(guī)模局域網(wǎng)等小型網(wǎng)絡(luò)之外，目前全球的所有大型網(wǎng)絡(luò)都不是真網(wǎng)絡(luò)，因?yàn)?，它們都可能發(fā)生局部“心肌梗塞”。幸好，控制論的創(chuàng)始人維納，于1950年提出的對話網(wǎng)絡(luò)（詳見[2]），以下稱為“維納網(wǎng)絡(luò)”，不會發(fā)生局部“心肌梗塞”，所以暫且認(rèn)為它是一種真正的網(wǎng)絡(luò)；而且，好像再也找不到整體傳輸能力比“維納網(wǎng)絡(luò)”還大的網(wǎng)絡(luò)了。有關(guān)“維納網(wǎng)絡(luò)”的細(xì)節(jié)描述，此處就省略了，大家不妨將它粗略地想象成“帶權(quán)值的全聯(lián)通網(wǎng)絡(luò)”；有關(guān)“維納網(wǎng)絡(luò)”的信息傳輸容量極限，請見《安全通論》第八章“對話的數(shù)學(xué)理論”（[3]）。
  

  如何搭建“維納網(wǎng)絡(luò)”呢？讓我們用排除法來進(jìn)行“地毯式搜索”吧。首先，“不能被重疊的信息載體”都派不上用場，所以，“真網(wǎng)絡(luò)”中的信息載體必須具有“可重疊性”；而波和量子糾纏，才是少有的具有“可重疊性”的信息載體。再看波類載體，聲波顯然不行，它根本就傳不遠(yuǎn)，因此只剩電磁波了。但受限于電磁波的頻譜，無論多么精細(xì)的切割，都不可讓全球用戶同時共享一個頻段，只能采取諸如蜂窩網(wǎng)等現(xiàn)行策略；但是，一旦出現(xiàn)哪怕一個蜂窩，它就是潛在的局部“心肌梗塞”點(diǎn)，相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)就不再是“真網(wǎng)絡(luò)”了。于是，根據(jù)人類現(xiàn)有的知識，好像最終唯一的信息載體備選，就只剩下量子糾纏了。

  如何用量子糾纏來搭建“維納網(wǎng)絡(luò)”呢？為了敘述簡單，此處只考慮權(quán)值都為1的“維納網(wǎng)絡(luò)”，即，幾何上的全聯(lián)通網(wǎng)絡(luò)。利用量子手段，可以這樣來搭建“維納網(wǎng)絡(luò)”：把已經(jīng)處于糾纏態(tài)的M個粒子，分配給世界各地的M個用戶。當(dāng)某用戶想傳輸信息時，他便將具有未知量子態(tài)的粒子與自己的糾纏粒子進(jìn)行聯(lián)合測量（一種操作），則其它用戶的糾纏粒子將瞬間發(fā)生坍塌（變化），坍塌（變化）為某種狀態(tài)，這個狀態(tài)與發(fā)送方的粒子坍塌（變化）后的狀態(tài)是對稱的。于是，發(fā)信方只需按事先約定的時隙，照搬約200年前的摩爾斯電碼編碼規(guī)則，只不過將當(dāng)年的電路“通”與“斷”，分別替換為現(xiàn)在量子態(tài)的“測量”與“不測量”（或“坍塌”與“不坍塌”，或“變化”與“不變”）就行了。于是就可將這M個用戶，連接成一個實(shí)時的全聯(lián)通網(wǎng)絡(luò)，使得它們能像在同一辦公室面對面進(jìn)行“頭腦風(fēng)暴”一樣。當(dāng)然，為了提高這種量子網(wǎng)絡(luò)的編碼效率，還可完全照搬當(dāng)前通信領(lǐng)域的所有現(xiàn)成編碼規(guī)則，只是將比特信息“0”和“1”分別替換為量子態(tài)的“測量”和“不測量”就行了。注意，如果不存在外部干擾（竊聽），此處量子網(wǎng)絡(luò)的全網(wǎng)同步問題非常簡單，只需約定一個同步碼（比如，連續(xù)K次測量）就行了。當(dāng)然，以上思路還面臨著許多技術(shù)挑戰(zhàn)，比如，怎樣讓代替全網(wǎng)N個用戶的量子中的任何M（M   
  總之，真心希望國內(nèi)外物理學(xué)家和通信專家共同努力，早日撿起“量子維納網(wǎng)絡(luò)”這個西瓜，別只盯住“絕對安全”的那粒已被污染的小芝麻。
  
  參考文獻(xiàn)
  
  [1]楊義先，量子的安全笑話，科學(xué)網(wǎng)博客，網(wǎng)址：
  
  http://blog.sciencenet.cn/blog-453322-1010441.html
  
  [2] N.維納著，陳步譯，人有人的用處，北京：北京大學(xué)出版社，2014年6月。
  

  [3] 楊義先，鈕心忻，安全通論，北京：電子工業(yè)出版社，2018年。

  作者簡介
  
  楊義先，《安全簡史》、《安全通論》、《黑客心理學(xué)》、《博弈論系統(tǒng)論》和《科學(xué)家列傳》作者，北京郵電大學(xué)教授、博士導(dǎo)師、首屆長江學(xué)者特聘教授、首屆國家杰出青年基金獲得者、國家級教學(xué)名師、國家級教學(xué)團(tuán)隊(duì)（“信息安全”）帶頭人、全國百篇優(yōu)秀博士學(xué)位論文導(dǎo)師、國家精品課程負(fù)責(zé)人?，F(xiàn)任北京郵電大學(xué)信息安全中心主任、災(zāi)備技術(shù)國家工程實(shí)驗(yàn)室主任。

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