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(xiàn)實一般卻很骨感,理論上很完美,但現(xiàn)實實現(xiàn)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(xué)科,有些術(shù)語的定義也不是那么明確規(guī)范。我們現(xiàn)在在談?wù)摿孔油ㄐ诺臅r候主要指這兩方面的內(nèi)容:量子密鑰分發(fā)和量子隱形傳態(tài)。
量子密鑰分發(fā)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(tǒng)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(jīng)比較成熟了,也有了非常多的量子秘鑰分發(fā)協(xié)議,其中最為著名的就是BB84協(xié)議(兩個名字帶B的老外在84年提出來的)。
量子隱形傳態(tài)是利用量子糾纏的原理實現(xiàn)量子比特之間的通信,這里面?zhèn)鬟f的就不再是經(jīng)典的比特信息而是量子比特。經(jīng)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(tài),它的大致過程是這樣的:先產(chǎn)生一隊糾纏粒子A和B,假設(shè)A在地球B在火星,然后我想把帶有信息的 C粒子發(fā)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(tài)就斷了,與此同時A和C糾纏到一起了,然后我通過經(jīng)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(fù)原C粒子的狀態(tài)。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(tài)非常麻煩,現(xiàn)在還處在基礎(chǔ)研究的階段,因為他傳遞的是量子比特,所以,這應(yīng)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(fā),所謂量子通信是否能破譯的問題,也主要是密鑰分發(fā)上的,量子隱形傳態(tài)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(shù)實現(xiàn)的問題,漏洞也不在理論而在技術(shù)實現(xiàn)上。
BB84協(xié)議干了啥?
說簡單點,BB84協(xié)議是通信雙方為了協(xié)商一個完全隨機不可破譯的密鑰的過程。傳統(tǒng)的密鑰按照一定的規(guī)律加密,接收方按照一定的規(guī)律解密,問題是這種規(guī)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(guī)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(guī)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(guī)律的密鑰哪里去找?當然是來量子世界里找,量子的狀態(tài)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(xié)議就是使用單個光子偏振不同的方向來代表不同的狀態(tài),根據(jù)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(tài)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(tài)遍不會發(fā)生改變,就好像跟沒事發(fā)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(tài)就要改變了,這時候接收方就有可能知道有人在監(jiān)聽。
就好像你拿一根竹竿,剛好是豎著從門經(jīng)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(tài)要改變而已。
利用這個特性,通信雙方便能協(xié)商出一串完全沒人監(jiān)聽過,十分安全隨機的密鑰,然后信息發(fā)送方利用這個密鑰對要發(fā)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(jiān)聽者都有50%的概率蒙對,但是考慮到協(xié)商密鑰的時候一般都會發(fā)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(shù)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(xié)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(shù)實現(xiàn)上了。
第一個大問題就出現(xiàn)單光子上了。因為BB84協(xié)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(huán)境,一個光子哪有這么好弄?現(xiàn)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(xué)家們可以向辦法去補救,比如利用誘騙態(tài)量子密鑰分發(fā)來解決這個問題,但這更多像是微軟發(fā)布了一個系統(tǒng)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(xiàn)一個雙方的攻防戰(zhàn)。
接下來接收設(shè)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(huán)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(xué)家們也不是吃素的。所以,這里又將出現(xiàn)一系列的攻防戰(zhàn),科學(xué)家們提出更新的方案,黑客提出更新的攻擊方案。
……
結(jié)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(xiàn)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。
我是長尾科技,一個致力于科普相對論、量子力學(xué)、計算機、數(shù)學(xué),讓高深的科學(xué)理論通俗易懂起來,讓科學(xué)可愛起來的科技媒體。想了解更多相對論、量子力學(xué)的知識,關(guān)注微信公眾號長尾科技,回復(fù)“相對論”或“量子力學(xué)”即可,有問題可以回復(fù)“【提問】+你的問題”,期待你的到來~