从通信工程角度讲讲量子通信的扯淡性

本人以前从事过通信方面的工作,本科的时候因为专业需要也学过量子力学,最近所谓的量子通信比较火,听说还要上市,就好奇找了很多资料看,甚至翻出读书时的那些书,哈哈,发现所谓的量子通信就是个大忽悠!

首先声明,这里说的是真正的量子通信,而不是潘建伟等人的挂羊头卖狗肉的量子密钥分发(这个玩意儿估计做密码的都觉得很逗逼,也就是这次量子卫星要做的事情)。量子通信,为什么量子,从字面上看你的信息载体得是量子物质吧,问题是现在的光纤通信就是以激光为信息传输媒介,而激光通常被认为是根据量子力学原理产生的明亮光束,否则哪来的量子光学那么厚的书?所谓的量子阱激光器,量子级联激光器等等,光子就是玻色子这种量子,所以现有的激光通信也可以叫做量子通信,用光量子做载体的通信嘛!只不过人家没有起这么fancy的名字来当噱头!

如果潘等人要做真正的量子通信,ok,那么请用比激光还要更“量子”的物质来做信息载体,否则量子通信还有什么意义?ok,那唯一的候选人就是所谓的纠缠光子了吧。不才恰好也还记得量子纠缠的一些东西,这个东西和量子力学诞生初期爱因斯坦和玻尔等人对量子力学本质的争论有关,也就是所谓的神秘的超距相互作用,然后要实现纠缠的光子何其难也,需要实验室里特制的设备。这方面的实验,我查了文献,最早是阿斯派克特使用两个激光源激励钙原子产生光量子纠缠对,后来罗彻斯特大学的伦纳德·曼德尔(Leonard Mandel),利用激光照射在非线性晶体上产生的自发参量转换,产生更为稳定可靠的纠缠光子对。总之,制造纠缠光子很难,制造多个纠缠在一起的光子群更难,否则潘建伟也不至于在21世纪第一个十年每把纠缠光子数提高一个就能发nature,再拿个中国科技十大进展什么的。问题是,我干吗要用纠缠光子做信息载体呢?本来产生它就太难了!这就是潘他们做量子密钥分发(QKD)的原因,因为Bennett和Brassard在1984年在纠缠光子对的基础上提出了QKD的一种协议(BB84协议),号称是具有绝对的保密性,先不谈这个“绝对”是否值得商榷,除此之外我真的看不出拿纠缠光子做信息载体有什么优势。第一,纠缠光子太难产生了,需要特殊的昂贵的实验室装置,BB84协议需要产生单光子,这就要求激光的光强必须极其微弱,除了需要特殊的光纤来传送,还需要特殊的发送端,你得产生单光子啊,还要有高灵敏的接收端装置。如果不用这些,像量子卫星那样直接在大气中传输,就得要求光子不能被背景所污染,就不能在白天传输,就算在夜晚,也不能有月亮,甚至星光也会影响,而卫星的运动速度那么快,那么就想很多人提到的,星地量子通信只能在很短的窗口期进行。第二,纠缠光子怎么来编码荷载信息?我想除了需要新的编码理论(这肯定是潘等人根本不会的),还需要大量纠缠在一起的光子,然而事实呢?以前潘做个八光子纠缠都能发nature了,这几年也没多大进展,八个纠缠光子至多能给出个64个基元态,太少了,根本不足以编码巨量的信息,更离谱的是,纠缠光子还有退相干的巨大问题,这就得在特殊的低温环境下进行,弛豫时间现在很短很短,离稳定通信要求差了多少亿光年。第三,一项新技术要能达到工业应用,起码得有几个优点,首先是可靠性,就是你得能长时间稳定工作,量子通信能吗?纠缠光子都那么难产生,何况编码、发射和探测!在实验室里这都是做实验的,恐怕需要选点好数据,这样标准差才能小点好发论文对伐?而是可放大型,就是功率啊,带宽啊,速率啊,可以不难么难的放大,那么量子通信可以吗?就像很多网友问的,不谈传输个图片,你传个“hello world”给我行不行?第四,量子通信从基本理论上就没准备好,比如要做通信,你的载体变了,就得有全新的编码理论吧,量子纠缠那么容易出错,你怎么利用冗余编码纠错,怎么利用编码处理退相干,就算你只讲密钥分发,起码你也得懂密码和信息安全理论吧,可惜找了那么多访谈,我发现潘的人确实懂物理,但根本不懂密码学,任何密码学专家看了BB84都有可能找出一堆漏洞来。除此之外,还有中继的问题,我查了文献还有中继是不是可信的问题。总结一下,量子通信只有一个值得商榷的优势:绝对安全;劣势却能找出一大堆。潘等人做做实验室的基础研究完全没问题,但是你干吗吹嘘要做工程?还是工业化的超级大工程!工程和科学是两码事好伐,考虑的目标完全不一样!我能用普通激光做载体稳定传送信息,干吗要用你的纠缠光子?所以现在只能吹量子密钥分发,连图片文件都传输不了,首先你怎么编码都没解决!所谓的量子政务网、京沪干线,就是个大笑话,它通过量子物质能传送啥?告诉我!最无耻的是这些挂羊头卖狗肉的公司骗国家经费也就算了,还要上市圈股民的钱!!!

科大的马甲们也不要再说什么你牛你干吗不到期刊上发论文反驳,这是一个工程问题,任何一个做通信的专家都会问上面的问题!

科学人上一篇文章谈了
两种量子通信模式,确实感觉制造纠缠态粒子这种太扯了
量子计算机原理不知道又是啥,好一点实现不
发送量子密钥这种,则不知用处在哪里,最终还是要通过经典方式沟通、核对密钥,人去截获经典通路不就得了么
没事和你的单光子通路较啥劲
关键还是是否最后这项技术能使得信息的保密性提高了
如果是的话,叫什么名字不重要

靠谱啊,肯定能成功,因为这个东西非常简单,不可能不成功。
不过没啥意义,本来在地面就能做的试验非搬到天上,就是骗钱的,想整大新闻的。
这个试验其实是大学普通物理试验,相当于把试验器材和距离换成卫星和地面,你说把大学课堂上的自由落体试验换成从卫星上落下来,虽然肯定能成功,但能有多大意义?
这是其一,试验本身是骗钱。
其二,量子通信就是忽悠,一这不是通信,是加密手段,二这种加密手段并不实用,三这根本和量子纠缠没毛的关系,就是偏振态检测。
总之,这是一个利用卫星进行光学偏振试验的骗钱工程。

光偏振或说量子态现象的各种分析试验发几篇文章不难,量子加密也确实有可研究的东西。但是,夸大了其实用性,用通信概念代替加密概念,用量子代替偏振,用卫星代替地面做试验,就是骗子,炒作,骗经费。

量子通信一点也不忽悠啊
确实很实在,一方面理论不忽悠,具备可能性;另一方面技术有难度但绝对具备可行性。
先说原理,量子通信原理很简单也很成熟:
1、现在信息社会,通信越来越重要,通信最大问题在于安全、保密,所有大家网银、账户通信都是经过RSA算法加密的,这个加密是通过一个密码本把账户、密码明码加密成暗码再发送给银行、支付宝服务器,服务器把又暗码与密码本核对,翻译回明码和存储的密码核对,确认客户身份,执行转账等操作。所有现代军事、金融通信基础都是基于RSA加密方式。但是问题是密码本一旦被破解,所有加密通信就形同虚设。密码本怎么实现加密呢,无非就是把明码按照一定规则转换为暗码,这个规则就是密码本,这个密码本是电脑根据复杂计算形成的一组随机二进制数,这个随机数就代表明码转成暗码的密码规则。但是通信加密最大问题就是所有算法形成的随机数都是伪随机数,背后都是电脑计算出来的,只要有足够强的计算能力就绝对能够破译,现在之所以还安全只是因为普通计算机还不够强,破译你一个私人小户头密码还不值得投入这么高成本;
2、量子通信加密就很简单了,我们知道一个光子同时面对两条窄缝的时候具体通过哪条是真随机的(至少目前人类认为从原理上无法破译),通过第一条代表0、第二条代表1,那么只要每次通信设置一个量子窄缝记录装置,每次都能形成一组真随机数来作为明暗码转换的密码,实现原理上的绝对保密;
3、保密关键一方面在于密码本,另一方面在于通信过程中密码和暗码会不会被窃取,或者窃取后接收方能不能马上发现。量子通信很简单,就是每次只发射一个单光子,事先定好发射规律,中间如果少了一个光子那么就是被人窃听了,而且光子也不可能先被窃取又被放入一个不被接收方识别出的替代复制品,因为量子物理上具备不可克隆性,因此通信中无论小偷是窃取、还是偷龙转凤,量子的物理本性决定了接收方能够马上发现;
4、因此只要利用量子进行通信,一方面每次通信如果有人偷听你肯定会知道,另一方面即使本次通信被小偷偷走了通信中发送的暗码和密码本,你的密码本别人破译了也毫无意义,因为下次通信密码本又是另一组真随机数,这就实现了绝对保密。
原理没问题,实现起来就更简单:
1、就是简单的单光子通信,只是利用了单量子不可复制、绝对随机等简单特性,单光子通信唯一限制就是传输距离有限,即使用最好的光纤信号也很容易衰减,但是实验发现单光子通过大气从宇宙传递衰减会比从光纤走小的多,因此采用同城光纤通信,跨城通信用卫星中转,最终就可以实现全球性的量子通信网。
量子通信原理、可行性都毫无问题,唯一遗憾的就是现在计算机破解RSA加密的速度还很慢,个人难以破译,国家层面又兼相爱交相利、诚信为本,目前没有大规模战争(包括金融战与信息战)的需求,所以保密需求还没有那么高,量子通信发展才相对缓慢,但只要国家投钱,现在的人力、技术,实现量子通信绝对可行、可靠,而一旦实现绝对保密的量子通信,一旦战争国家机器之间发展到相互破译密码、或CPU突飞猛进到普通家用密码RSA也无法HOLD住得时候,那量子通信就是无量财富。

听着只是一个真随机发生器?

对就是发射端有个真随机发生器,发射过程用单光子保证窃听能实时发现,所以没啥好忽悠的,是很多人听到量子就想到太神秘了,太忽悠。
量子卫星发射前的同城量子光纤通信已经实现了,应该也有新闻,只是发个卫星这次轰动了点。

其实就是个噱头,忽悠的成分很大。强调保密性的时候就提什么单光子,量子不可克隆。实际上工程上采用的BB84量子密钥分发协议,是利用的偏振光检测,不知道和量子态有什么关系。而且所谓的单光子源,也不是严格的只产生一个光子。从通信的观点看,所谓的量子密钥分发,实际上应该被称做量子密钥协商。通信双方事先都不知道将来使用的密钥是什么,是靠BB84协议在交互过程中(包括使用普通信道)双方才确认了密钥。量子信道不能传输任何信息,真正的信息是通过普通信道传输的。所谓不可破译,实际上是建立在密码学的数学原理上的,前提条件是一次一密,一比特一密。也就是一次性密钥的长度要和信息长度等长。而实际中,如果做不到这一点,就不能说是绝对不可破译的。

1. 单光子源:光有量子性,探测器接受的是一个一个的光子,只是在光强很大的时候它们才在表观上看起来是连续的。当光强较小时,探测器接收的两个光子之间出现间隔,探测器的事件表现出不连续性。当间隔远大于探测器采样频率的倒数时,可以认为每一个事件都是由单一光子触发的。与之对应,可以认为之前光源只发出单一光子。所以足够弱的光源对足够快的探测器而言就是单光子源。
2. 偏振:实际上量子通讯多使用双光子源。当入射的偏振光激发某些晶体时,有小概率产生一对偏振互相垂直的纠缠光子对,而后可以根据其频率和出射方向的不同将纠缠的光子和其他光子分开。量子纠缠并不局限于光子,也不局限于光子的偏振这一量子态。但是这是最容易产生也最容易操作的纠缠对,所以被广泛应用。注意这里偏振就是纠缠的量子态。
3. 量子通信的基本原理是:发送方将待发送的信息与纠缠光子对中的一个光子做一次“运算”,将运算的结果通过经典信道传递给接收方,接收方再利用纠缠光子对中的另一个光子与从经典信道中收到的信息做一个“逆运算”,从而恢复出发送方发送的信息。如果发送的信息是某种量子态,这就是量子通信中的“量子隐态传输”。
4. 如果套用经典的模型来理解这个过程,它很类似于对称加密:发送方将待发送内容与密钥做一次运算,将运算的结果,也就是密文,通过经典信道传递给接收方,接收方再利用相同的密钥与从经典信道中收到的信息做一个逆运算,获得发送的信息。这里纠缠光子对相对于对称加密中的密钥。但是纠缠光子对是不可复制的,一旦有人,无论是接收方还是监听者,对纠缠中的任一光子进行“逆运算”这个操作,纠缠就不复存在。所以纠缠本身相当于一个“阅后即焚”的一次性密钥。
5. 所谓“量子密钥分发”,也不超出上述的量子通信的基本原理。只不过量子通信完毕后有一个通过经典信道进行后验的过程,这和直接通信是等价的。之所以现在工程上集中于量子密钥分发是由于量子通信信道的传输速率暂时无法与成熟的经典信道相比,因此实用中只用量子通信信道传递密钥部分。在密码学中也有大量类似的妥协案列,如SSL只有密钥交换部分使用不对称加密,对话部分使用的是对称加密,因为如果完全使用不对称加密对现有的计算机速度和网速是不可接受的

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  1. 匿名
    2016年8月23日22:12 | #1

    不用两个100年,已烂到没有净地了,

  2. 耳光侠
    2016年8月23日22:44 | #2

    呵呵,突然冒出这么多“物理大牛”,都这么牛,咋不去干翻潘建伟呢,当面和他叫阵,肯定名扬天下,是不是啊?

  3. 匿名
    2016年8月23日22:57 | #3

    耳光侠 :
    呵呵,突然冒出这么多“物理大牛”,都这么牛,咋不去干翻潘建伟呢,当面和他叫阵,肯定名扬天下,是不是啊?

    因为人家潘大神有后台。一群没有后台的也就只能在网上说一说罢了。还有,“你行你上”这个很早就已经被证明是无效的论点反驳方式。

  4. 匿名
    2016年8月23日23:54 | #4

    5年前就有同城光纤量子通信网了吧,当时在科大的时候还听过潘建伟和郭光灿的报告。。。

  5. 匿名
    2016年8月24日00:24 | #5

    匿名 :
    5年前就有同城光纤量子通信网了吧,当时在科大的时候还听过潘建伟和郭光灿的报告。。。

    5年前就有的东西,到现在都不能商业化和工业化?

  6. 匿名
    2016年8月24日06:04 | #6

    建議用紅色基因無敵通訊比較能呼悠,天朝教科書包括一些所謂的專業雜誌這種怱悠的概念多的是,當然包括官僚發表的講話

  7. 匿名
    2016年8月24日06:34 | #7

    再利害的加密,還不如傳統的以新華字典或聖經為基礎的密碼本,還有文盲也懂得暗語,以摔杯為信號⋯⋯

  8. Mobile Guest
    2016年8月23日22:44 | #8

    为什么能忽悠?虽然不能创造社会财富,但作假有人能升官,有人能发财。

  9. peter xie
    2016年8月24日07:08 | #9

    這篇文章從頭到尾否定了此衛星的所謂實現量子通訊,但它告訴人們此衛星也並非垃圾,至少它還是提供了加密工作中的幫助,就是產生量子密匙。估計是小罵大幫忙。因為他所謂的真隨機數密匙,在地面通過其他方式也可以獲得,使用量子技術來產生隨機數密匙,有點脫褲子放屁的嫌疑,而且本文裡引用的一個光子面對2條窄縫的原理,簡直在侮辱量子力學。

  10. 匿名
    2016年8月24日08:44 | #10

    刊登这种文章辱墙外楼名誉和读者智商。

  11. 匿名
    2016年8月24日09:52 | #11

    真随机数发生器是真的,但你说单光子无法截获就是笑话了。考虑那么大的背景噪声,单光子不可能保证100%被接收,编码要有冗余设计,所以截获光子根本不能被察觉好吧。

  12. 匿名
    2016年8月24日11:12 | #12

    一个拉网线的连数学物理方程都没学过的人,也敢大放厥词说“我也是学过量子力学的”。。。量子力学的玄妙岂是你这种学渣可以妄言的。

  13. 匿名
    2016年8月24日12:36 | #13

    对RSA的描述有误

  14. 匿名
    2016年8月24日21:04 | #14

    根本不懂rsa的人写的

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