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日志

不必纠缠的量子通讯

热度 3已有 2605 次阅读2019-1-22 05:42 |个人分类:科普|系统分类:教育

下面是我在2016年发表在科学网的一篇科普文

原网址:http://blog.sciencenet.cn/blog-684007-998083.html

不必纠缠的量子通讯

已有 3223 次阅读 2016-8-23 07:34 |个人分类:物理|系统分类:科普集锦    推荐到群组  

刚在网上浏览,看到有篇文章说:【量子通信用的量子纠缠在理论本身都还有很大的问题(连爱因斯坦都搞不懂),真正的量子通信是要通信内容都用量子加密】。感觉有必要科普一下。首先,量子通讯不一定需要量子纠缠;其次,量子通讯不需要全部量子加密。


什么是量子纠缠?我在之前在《科普量子缠绕》中讲过,有兴趣的可以再看看。所谓纠缠,故名思义,至少得有两个系统(比如说两个光子),它们处于一种无法“因式分解”的状态。量子通讯利用的可以只是单个光子的状态,不一定需要量子纠缠。

为什么需要量子加密? 先看看现在的加密通讯工作原理。我们上网购物的时候,网站与我们并没有事先约好通讯密码。我们的计算机与服务器之间有一个先约定通讯密码的过程。这个通讯密码本身可以非常强,根本无法破解,但是弱点在于双方约定这个密码的过程也会被监听。目前,这个约定密码的过程是巧妙利用某些非常难以计算的数学问题,但是密码是被通讯数据完全确定的。随着计算机计算力的增强,这个密码约定过程被破解可能性也就加大了(还有一个担心是万一有人已经破解了相关的数学难题呢)。约定再强的密码,如果密码本身被人算出来了,又有什么用?所以,我们需要解决的问题是,即使约定密码过程全部被监听,而且监听者有极大的计算力,也无法破解密码。

那么量子加密是怎么工作的呢? 一种机制是利用了量子力学中的测不准原理。假设一个光子的偏振方向是45度角,如果用水平-垂直方向的仪器去测,测出偏振或者是水平、或者是垂直,没法同时测定两个分量。测完之后,光子就是在水平或者垂直方向偏振了,再去测量也就无法得出原来的偏振信息。利用这个量子测量原理,我们可以设计一个通讯机制,如果有人窃听,信号就变了(注一)。

根据这个量子原理的一种协议方案叫着 BB84,工作原理是一方用随机变化的两组基坐标 + 与 X 随机发出一系列量子态信号--如偏振光子,接收方并不知道发送方的信号比特采用哪个基坐标,也就随机选择测量方向。双方得到各自测量的数据后,将各自的基坐标选择通过普通通讯渠道公开,这样就知道双方应该有哪些数据是相同的,然后从中选择部分作为密码。如果中间有人进行窃听测量,窃听者也不知道发送者用的什么基坐标,也只能随机测量,这就会改变约一半的信号,通讯双方就对不上了。。。 整个过程完全是单系统测量。可见,这个BB84 密码约定过程并不涉及量子纠缠,而是测量单个光子的状态。


值得注意的是,即使是上述量子密码约定过程也必须依赖常规的通讯手段公布双方的基坐标选择。加密通讯部分,我们上网购物使用SSL的加密也只是先用RSA算法约定密码,剩下的通讯是用约定的密码进行对称加密。原因是RSA等密码约定算法需要耗费大量的计算与通讯资源,而对称加密算法非常高速。至于密码强度则取决于密码长度。如果密码长度  1024 比特,则蛮力搜索需要计算 2的1024次方的量级。那个国际象棋盘上摆谷子的故事,只是 2的64次方而已(2的64次方字节的数据需要一千万个 2 TB 的硬盘才能存下)。

量子纠缠的原理也可以用于密码约定。但这需要由卫星生成处于纠缠态的两个光子,发给通讯的双方,这两个光子必须在各自传播之中仍然保持在纠缠态,相对来说,错误率应该大些。中国的量子通讯试验卫星应该会测试不同的量子加密协议,挑选最可靠的方式。

有人在网上还提出一个问题,如果有云雾怎么办?从上面可以看出,量子通讯卫星的主要用途是密码约定,而不是通讯本身。量子通讯卫星在低轨道运行,通讯卫星在3万多公里的同步轨道运行。约定了密码之后,普通的微波通讯通过同步轨道的通讯卫星继续。又有人说,量子卫星被干扰怎么办?如果真是大国之间冲突,对方的卫星都可能被干扰、致盲甚至击毁 -- 不管是量子还是非量子通讯卫星。量子通讯不是万能的,只是防备在不知不觉中被人窃取信息。


通讯保密真有那么重要吗?甲午战争后,李鸿章去日本求和,他跟清庭的通讯被破译,让日本人知道了清政府的求和底牌,李鸿章怎么讨价还价也不管用了。二战期间德国、日本的密码都被破译了,而且它们还蒙在鼓里,盟军虽然还是打得很辛苦,但掌握了关键信息是胜利的重要因素。今天的武器比那时的准确多了,信息安全也就更为重要。



注一:读者可能问,如果窃听者像钓鱼网站一样,假装就是通讯的一方呢?这是另一个问题,叫做身份确认(authentication)。在网上购物,卖方网站得通过专门的验证中心进行身份核实,我们的计算系统里预先设置了验证中心的地址。




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发表评论 评论 (3 个评论)

回复 Wavelet 2019-1-22 11:26
Nice article. As for "注一:读者可能问,如果窃听者像钓鱼网站一样,假装就是通讯的一方呢?这是另一个问题,叫做身份确认(authentication)。在网上购物,卖方网站得通过专门的验证中心进行身份核实,我们的计算系统里预先设置了验证中心的地址。", true --> normally, commercial sites use both authentication and authorization to ensure / validate the proper access. E.g. OpenID Connect (OAuth for Authorization) or Saml.
回复 岳东晓 2019-1-23 13:29
Wavelet: Nice article. As for "注一:读者可能问,如果窃听者像钓鱼网站一样,假装就是通讯的一方呢?这是另一个问题,叫做身份确认(authentication)。在网上购 ...
  

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