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量子通信的价值到底在哪？

2020-05-08

中国电源产业网

导语：一提起量子通信，许多人马上就会想到“绝对安全”，其实这是不对的，“安全”是一个远比“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，肯定应该包括能保密。

如今，一提起量子通信，许多人马上就会想到“绝对安全”，其实这是不对的（详见[1]）；比如，黑客只需动用很简单的“鱼死网破”攻击法，就能让这种量子通信系统瘫痪，即，黑客对通信双方的纠缠态量子进行不断的测量就行了。所以，准确地说，目前媒体上广泛声称“绝对安全”的那种量子通信，只能是绝对保密的；但绝对不是“绝对安全”，而且还是相当不安全，相当脆弱的。“安全”是一个远比“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，肯定应该包括能保密。

但非常奇怪的是，不知为何，量子通信的另一个更加巨大的潜在价值，却至今仍被各方忽略；那就是，量子通信也许将成为拯救人类通信即将面临的“香农信道容量危机”的唯一一根救命稻草，至少目前还没发现第二根。今后，如果量子通信真的成了现代通信的“救世主”，其价值当然远远超过构造一套颇具争议的“绝对安全”通信系统。

“香农信道容量危机”是什么呢？原来，随着5G手机等为代表的通信技术的飞速发展，端到端通信的香农信道容量极限，即将被逼近。啥意思呢？端到端信道的信息传输能力，将再也没有巨大潜力可挖了！若用科幻小说“三体”的俗话来说，端到端通信的理论，就被三体人的“智子”锁死了。更麻烦的是，如今包括通信网、互联网等在内的所有信息网络，都是借用诸如时分复用技术、频分复用技术、码分复用技术等，在“瞒过”人类生理感官的前提下，将许多“端到端信道”生硬地拼接而成的“假网络”。一旦这些“假网络”中的某些“端到端信道”的容量达到极限后，整个“假网络”就必然出现“心肌梗塞”。如果再加上信息领域的另一个危机，摩尔定律危机（即，信息存储介质的增长速度，即将慢于“摩尔定律”的预期），那么，整个信息领域的发展，也就基本到头了，信息领域的专家们就可以准备“洗洗睡了”。

如何才能突破“香农信道容量危机”呢？肯定不能再在“端到端通信”线路上做文章了，唯一的希望，就是在“网络”上面下功夫，即，搭建真正的“网络”。什么才是真正的“网络”呢？这还真不好说清楚，但可以肯定的是，除小规模局域网等小型网络之外，目前全球的所有大型网络都不是真网络，因为，它们都可能发生局部“心肌梗塞”。幸好，控制论的创始人维纳，于1950年提出的对话网络（详见[2]），以下称为“维纳网络”，不会发生局部“心肌梗塞”，所以暂且认为它是一种真正的网络；而且，好像再也找不到整体传输能力比“维纳网络”还大的网络了。有关“维纳网络”的细节描述，此处就省略了，大家不妨将它粗略地想象成“带权值的全联通网络”；有关“维纳网络”的信息传输容量极限，请见《安全通论》第八章“对话的数学理论”（[3]）。

如何搭建“维纳网络”呢？让我们用排除法来进行“地毯式搜索”吧。首先，“不能被重叠的信息载体”都派不上用场，所以，“真网络”中的信息载体必须具有“可重叠性”；而波和量子纠缠，才是少有的具有“可重叠性”的信息载体。再看波类载体，声波显然不行，它根本就传不远，因此只剩电磁波了。但受限于电磁波的频谱，无论多么精细的切割，都不可让全球用户同时共享一个频段，只能采取诸如蜂窝网等现行策略；但是，一旦出现哪怕一个蜂窝，它就是潜在的局部“心肌梗塞”点，相应的网络就不再是“真网络”了。于是，根据人类现有的知识，好像最终唯一的信息载体备选，就只剩下量子纠缠了。

如何用量子纠缠来搭建“维纳网络”呢？为了叙述简单，此处只考虑权值都为1的“维纳网络”，即，几何上的全联通网络。利用量子手段，可以这样来搭建“维纳网络”：把已经处于纠缠态的M个粒子，分配给世界各地的M个用户。当某用户想传输信息时，他便将具有未知量子态的粒子与自己的纠缠粒子进行联合测量（一种操作），则其它用户的纠缠粒子将瞬间发生坍塌（变化），坍塌（变化）为某种状态，这个状态与发送方的粒子坍塌（变化）后的状态是对称的。于是，发信方只需按事先约定的时隙，照搬约200年前的摩尔斯电码编码规则，只不过将当年的电路“通”与“断”，分别替换为现在量子态的“测量”与“不测量”（或“坍塌”与“不坍塌”，或“变化”与“不变”）就行了。于是就可将这M个用户，连接成一个实时的全联通网络，使得它们能像在同一办公室面对面进行“头脑风暴”一样。当然，为了提高这种量子网络的编码效率，还可完全照搬当前通信领域的所有现成编码规则，只是将比特信息“0”和“1”分别替换为量子态的“测量”和“不测量”就行了。注意，如果不存在外部干扰（窃听），此处量子网络的全网同步问题非常简单，只需约定一个同步码（比如，连续K次测量）就行了。当然，以上思路还面临着许多技术挑战，比如，怎样让代替全网N个用户的量子中的任何M（M<N）个量子纠缠起来；据报道，现在有人至少已能让5个量子相互纠缠了。无论如何，量子通信是唯一有望突破“香农信道容量危机”的备选；但愿它能早日成功！

总之，真心希望国内外物理学家和通信专家共同努力，早日捡起“量子维纳网络”这个西瓜，别只盯住“绝对安全”的那粒已被污染的小芝麻。

【参考文献】

[1]杨义先，量子的安全笑话，科学网博客

网址：http://blog.sciencenet.cn/blog-453322-1010441.html

[2] N.维纳著，陈步译，人有人的用处，北京：北京大学出版社，2014年6月。

[3] 杨义先，钮心忻，安全通论，北京：电子工业出版社，2018年。

【作者简介】

杨义先，《安全简史》、《安全通论》、《黑客心理学》、《博弈论系统论》和《科学家列传》作者，北京邮电大学教授、博士导师、首届长江学者特聘教授、首届国家杰出青年基金获得者、国家级教学名师、国家级教学团队（“信息安全”）带头人、全国百篇优秀博士学位论文导师、国家精品课程负责人。现任北京邮电大学信息安全中心主任、灾备技术国家工程实验室主任。