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人能够感觉得到量子纠缠的信息传送作用吗？
热度 1 tingyy 2018-10-26 10:13
量子纠缠可能是宇宙中最让人觉得不可思议一种自然现象，虽然人类目前科学技术的水平还不能很好地解释和使用这种量子纠缠现象，但是可以肯定的是量子纠缠现象是宇宙中客观存在的一种具有一些奇异特性的自然现象。根据目前的研究来看，量子纠缠可以超高速，超远距离传输信息。量子纠缠应该是宇宙中一种广泛存在的自然现象。因为在这个世界上，包括人体本身包含的量子数量极其巨大，所以宇宙中应该大量存在的量子纠缠。 最新的研究表明量子耗散可能会在两个宏观物体之间形成持续稳定的量子纠缠。而人体和人体的脑细胞都是一种耗散系统。它们都需要不断地与外界环境进行能量交换而得以生存。所以人体大脑（其中的组织，细胞，或者某些分子结构）很可能会与自然界的某些东西产生量子纠缠。从而产生量子纠缠的信息传送作用。 　　因为以前人类的知识对量子纠缠现象非常缺乏认识，甚至对于今天已经被科学研究证实了的量子纠缠现象都会觉得匪夷所思。所以即使人们遇见很多可能与量子纠缠有关的问题也不会认为是它的原因。其实人类遇见的一些不同寻常的信息传送作用，可能可以用量子纠缠信息传送来解释。人类可能真的能够感觉得到这种普遍存在的自然现象，只不过我们没有意识到。 　　比如被称为第六感觉的人类意识，可以无意识地感觉到一些甚至非常遥远的事情；甚至可以对一些未来发生的事情做出预感。再比如对于自己非常记挂的亲人，即使距离非常遥远很多人也可以感觉到对方的情况。挛生双胞胎之间的互相意识感应现象比较普遍地存在。很多人会对一些人和物常常出现有一种似曾相识的感觉，这些都可能就来自于这些无意识的纠缠关系。这样一些感觉信息的获得都具有量子信息传输的不受距离，时间限制的特点。 　　人类思维中的一些无意识的信息可能就来自于这种纠缠。但是这种纠缠关系的建立也是人类至今无法理解和无法控制的，而且这种纠缠信息的获得通常是非常不确定，一般都无法控制，通常不可复制。所以常常无法让别人相信的。也很难具有可重复性，所以无法进行科学解释。这些现象通常被认定为神秘事件，反而在宗教方面得到认可。比如佛教中的某些缘份关系；在很多宗教中都存在的转世轮回等概念，这些都可能就来自于人类思维中的量子纠缠产生的超时空的信息传送关系。 　　中国传统文化中的天人合一的思想，就可能来自于这种人与自然之间的纠缠关系。组成人类身体的原子，分子；特别是组成人体中与思维有关的神经系统，当然也包括组成大脑的原子，分子都是已经在宇宙中存在了很长很长时间了。它们在存在的过程中就可能会发生许许多多的纠缠关系，其中某些纠缠关系可能会被保存下来，并且会影响到人类的身体活动，当然也包括思维活动。中国古代传统思想中就对这种人类对周围自然环境的信息感应现象就有非常深刻的认识。所以在中国传统思想中认为人体就是一个小宇宙，与外界的整个宇宙有非常一致的运行规律；有十分紧密的信息联系。而这种联系往往是可以感知而不可具体描述的。这种联系与现代科学揭示出来的量子纠缠现象有很多类似的地方。
个人分类: 杂谈|2358 次阅读|1 个评论
试评量子通信技术的发展及安全性问题 黄志洵
yangxintie1 2018-8-25 19:43
试评量子通信技术的发展及安全性问题 黄志洵 l （中国传媒大学信息工程学院，北京 100024 ） 摘要 ： 虽然近年来有许多报道讲述了中国在发展量子通信方面的巨大成绩，但在科学家当中这仍是一个争议不休的话题。重要之点在下述三个方面——它在科学原理上是否可信，在工程实施上是否可行，在实践中是否可用。因此，我们讨论了量子通信的发展概况及工作模式，探讨了单光子序列的运用，分析了所谓“绝对安全”的可能性问题。 本文肯定了发展这一学科的意义和成就，认为把量子纠缠当作一种资源加以利用是高明之举。但是，我们反对说量子通信无条件安全。此外，使用卫星时能否在白天进行稳定持续的通信，仍然令人怀疑。当科学家在重要工程中使用单光子序列时，能否胜任愉快也是问题。未来需要对实用性作进一步的查核。 关键词： 量子密钥分发；量子安全直接通信；量子纠缠态；诱骗态；单光子序列；量子通信安全性 1 引言 量子通信 (quantum communication, QC) 是否在科学原理上可信、在工程技术上可行、在实践中可用？这已成为科技界专家乃至广大公众关心和热议的问题。多年来，笔者作为微波工程 教授和“电磁场与 微波技术 ”专业方向的博士生导师，关切的范围早已超越 微波而进入光的领域，并密切注视量子理论与应用技术的发展。量子信息学 (quantum information technology, QIT) 的 3 个主要研究方向（量子通信、量子雷达、量子计算），我对前两者都有浓厚兴趣，也写过文章表达自己的观点 。 2018 年 6 月 6 日《科技日报》在头版发表文章指出，中国科学发展的短板是缺乏质疑；号召有关领域的专家能站出来，（对 QC ）提出质疑或回应质疑。因此笔者再写此文，将一得之见贡献给读者。 众所周知，要谈 QC 就要谈纠缠态 (quantum entangled state) ，而这概念发源于 1935 年的 EPR 论文 。正是在该文中 Einstein 仔细叙述了他基于相对论理念而提出的局域实在论（ theory of local reality ），实际上也表达了他对量子力学 (quantum mechanics, QM) 的不满。 EPR 论文强调物质和客观世界独立于任何科学测量而存在，而且物质实体之间的相互影响都是在时空局域的，不可能有超距作用的物理现象发生，不可能超过光速。……然而， QC 技术后来竟然在 EPR 思想相反的物理基础（即 QM ）上发展起来，其进展堪称蓬勃。那么，人们自然会问：是 EPR 正确还是 QM 正确？ QC 的可信度如何？对于这些问题，笔者在 中已有清晰的陈述。简言之，该文肯定了自己对 QM 的信任，认为它作为 QC 的物理基础没有问题；承认研究 QC 的必要性，但反对说它“无条件安全”。对于愿意研读本文的读者，建议把文献 找来先行阅读。 2 现代通信技术的安全性要求 安全、保密是对现代通信系统的基本要求，对于一些特殊行业和部门（例如军队、公安、银行系统）甚至是最重要的要求。回顾电信技术的发展史， 1926 年 G.Vernam 发表“用于保密有线和无线电报通信的密码电报系统”一文，奠定了传统电信系统保证信息安全（防窃听）的基础。它在发送端采用一串与报文等长的随机数实现加密，而在接收端用相同的随机数实现解密。这种只用一次的随机数称为密钥。这个方法曾用过多年，后被所谓 RSA 协议所取代。 1978 年 R.Rivest ， A.Shamir 和 L.Adleman 发表论文“获得数字化签约及公钥密码系统的一个方法”，此即 RSA 协议；特点是接收者除公钥外还有一个私钥；虽然发送者仍用公钥加密后发送，但接收者必须同时使用私钥才能解密，这就形成了一种较好的密码学制度和方法。后来大量应用 RSA 协议的公钥密码制度，其安全性依靠一个假设——一个大数的质因数分解不仅极为困难，甚至被许多人理解为“不可能”。具体讲，公钥加密算法的基础是素数分解；当一个数很大时，把它分解为素数会很困难，要把某数 分解为素数，最直接的方法是筛法，即把 被从 1 到 的数去除一下。 RSA 算法目前密钥的典型长度是 1024 位二进制数，朴素筛法就要大约 2 512 次运算！可见，通常情况下依赖 RSA 并无不妥——除非量子计算机永远搞不出来。 然而，近年来量子计算 (quantum computation) 的发展造成了新的局面。在量子状态下，微粒可进入叠加态，意思是说可同时处于 0 、 1 两种状态下。因此量子计算机的可计算数为 2 N (N 是量子比特的位数）。也就是说，如用量子叠加态处理信息，量子比特数为 N 的存储器可存储 2 N 个数，或者说 1 次量子运算即可处理高达 2 N 个输入数字。 1994 年 P.Shor 提出了在量子计算机上实现素数分解的有效算法，可在几分之 1 秒内实现 1000 位数的因式分解。因此 RSA 体系的 1024 位密钥在今后会被量子计算机破解，这只是时间早晚的问题。正是在这种背景下，量子通信发展起来。……笔者认为，它指的不是仅靠量子技术的帮助下在通信装备上所作的改进，而是基于一种全新的原理。因此，不是可以随便就说某国（或某单位、某人）实现了量子通信。另外，它必须是保密性极好、安全性极高的通讯方式，否则就没有存在的价值。因此，我们其实只应认同词组 quantum secure communication （ QSC ），即量子保密通信。只是为了省事，才简称其为 quantum communication （ QC ），也就是量子通信。其根本目标是为了应对几年后目前的密码技术可能被量子计算机攻破的形势。 3 量子通信的定义及几个主要方法 虽然关于 QC 的正面宣传材料非常多，有关文献（论文、书）也很不少，但笔者感觉对于“什么是量子通信”这样的基本问题，似乎仍然缺少严格定义，从而造成了人们的疑问。例如有一种说法是：所谓“量子通信工程”主要是基于光子偏振态的量子密钥分发，搞的是量子加密而非量子通信。那么到底什么是量子通信？ 表 1 量子通信的 3 种基本方式 开始 时间 名 称 通信方法的原理 安全保障方法 常用方案 1984 年 量子密钥分发 （ QKD ） 在收发方之间建立量子信道以传输密钥，作安全性检查。如确认已安全分发密钥，则用经典通道传送用量子密钥加密后的信息；故收发双方对密钥是共享的。 用基于单光子的方案来说明：把多个单光子一个一个地发送，在大量单光子完成 QKD 后抽选结果作比对以检查有无窃听；如无，把所传随机数作密钥；如有，放弃所传数据。 基于单光子的 BB84 协议； 如改用纠缠对，则为 E91 协议和 BM92 协议。 2002 年 量子安全直接通信 （ QSDC ） 通信双方以量子态为信息载体，使用量子信道直接传输信息，故无需产生量子密钥。由于传输的是信息本身，故提出了比 QKD 更高的要求，例如对量子数据作块状传输。这种通讯方式无加密解密过程，也不需要额外的经典信道。 用单光子方案说明：接收方先向发送方传送一个单光子序列，它们随机地处于 4 个量子态之一；发送者收到后随机地选部分光子作测量，把结果告知接收方以评估安全。 例如基于单光子的 DL04 协议；如用纠缠对，例如高效协议。 1993 年 量子隐形传态通信 （ QCUQT ） 预置一个 EPR 纠缠光子对，分发给发送方和接收方；在发送方将有信息光子与光子对之一进行 Bell 态测量，把结果发给接收方。接收方据之作相应的酉变换，以恢复发送方的信息；另外收发方共有 1 条经典信道 。最终使未知量子态信息转移到接收方的纠缠光子上，实现量子态远程传送。 对此方式是否属于量子安全直接通信是有误解的，这是由于误认为纠缠本身已完成了安全分发。实际上，无论在自由空间或光纤中分发，都受限于传输中的衰减和噪声。可以采用纠缠纯化技术来改进。总之这并不比 QKD 能更好地达到量子通信的目标。 虽然自 1997 年以来不断有量子隐形传态的实验报道，但至今似乎尚缺乏明确的适用性协议。 许多材料的叙述都把 QC 归结为两个要点：一是利用量子态加载信息，二是使用量子力学原理保障通信安全（防止窃密）。这样说显得过于简单，我们挑选 QC 的主要方式作具体分析。表 1 是笔者选出的 3 种方式； 2017 年杨璐等 的论文显示，表 1 中的量子隐形传态通信（ QCUQT ）虽列为一种方式，但它并不比量子密钥分发（ QKD ）更有优势。在笔者的印象中，虽然量子隐形传态 (quantum teleportation) 在科学实验领域常常耸人听闻，但并不是一种较成熟的公共通信方式（仍处在设计和讨论实现方案阶段 ) 。因此，以后我们略去不谈。 量子密钥分发（ QKD ）既是最早的、也是最常用的 QC 通信方式。表 1 中已给出了 QKD 通信方法的原理，以及其保障安全的方法；对此可以作更通俗的解释——假设 Alice （发送方）要与 Bob （接收方）通信， Alice 发出一个一个的光子，依靠光子极化状态以加载密钥信息；假设 Eve 企图窃听，这是一定会被发现的，复制和测量都会被察觉。一方面， Heisenberg 不确定性原理造成 Eve 在不知 Alice 编码基情况下无法准确测量获得量子态的信息；另一方面， Wootters 量子态不可克隆定理使 Eve 不能复制 1 份量子态在得知编码基后作测量，故 Eve 必有明显的误码。总之， Alice 和 Bob 都会知道通信被窃听；这时即废掉原有密钥，双方另用新密钥。……由于仍然需要使用经典通道传送信息，这种 QKD 确实是一种量子加密技术，不象是量子通信。 但还有另一种方式：量子安全直接通信（ QSDC ）；从表 1 所述情况看，它才是真正的量子通信，因为它根本不用经典信道。因此必须承认真正的量子通信是存在的，而 QSDC 无论从学理上或实际应用上看都有特别重要的意义。只是由于通常用 QKD 作为 QC 的代表，引起质疑是不奇怪的。 4 量子通信发展过程简述 QC 对光子特性的利用，从极化（偏振）、相位、自旋方向下手均可，即有多个自由度可资利用。 1984 年 C.Bennett 和 G.Brassard 提出利用光子偏振态以传送信息的量子密钥分发方案（ BB84 协议），成为量子通信发展的开端。因此，所谓量子通信，至今只有 34 年历史。为什么说它是 QC 的开端？因为它是利用量子态来协商临时密钥，把密码以密钥形式分配给收发方。 BB84 采用 4 个量子态作为信息载体，它们分属 2 组共轭基，每组内的两个态互相正交。发送者先随机选择一串二进制 bit （如 1001110101 ），再随机选择转化为光子偏振态 时 的基（垂直的或斜的）；接收者对收到的每个光子随机测量其偏振态并转换为二进制 bit ；收发端协商后保存的结果，进行协商后得到安全密钥（例如 1101 ）。 1989 年 Bennett 小组用实验实现了在自由空间的 QKD ，虽然传输距离只有 32cm ，传输速率只有 10 b/s ，但这是世界上最早的量子信息传输实验；因此 BB84 是有历史意义的。但是很显然， BB84 中没有应用纠缠态概念。 1991 年，英国牛津大学的 A.Ekert 发表论文“ quantum cryptography on Bell’s theory ”，最先按照 EPR 光子对的纠缠性质构建 bit 串，形成真正的量子比特串。这个量子密钥分发协议被称为 E91 协议，它比 BB84 协议前进了一步。 通常在 QC 文献中会提出 BB84 是“无条件安全”，其理由可转述如下：在收发方采用单光子的状态作为信息载体来建立密钥。由于窃听者不能分割和复制单光子，只能截取单光子后测量其状态，然后根据测量结果发送一个相同状态的光子给接收方，以期窃听不被觉察。但测量会对光子的状态产生扰动，其发送给接收方的光子的状态与原始状态不同，故发送方和接收方可探测到窃听行为，因而保证了 QKD 的无条件安全。……然而对 BB84 的安全性一直存在质疑，例如它要求使用理想的单光子源；但这种源并不存在，可能用超弱激光脉冲来代替。这种脉冲中包含的光子数如大于 1 ，就会构成安全隐患。总之，单光子源非理想对 BB84 的价值影响较大，说它“无条件安全”是靠不住的。 表 2 给出我们搜集整理的 1991~2005 年间的 QC 实验情况，可以看出在 11 例中只有 2 例是在自由空间进行实验的。表 1 说明西方科学界对进行 QC 实验很积极，中国其实只是跟进。到 2005 年，在国际上已有 3 个国家的研究组声称可将 QC 距离用 QKD 方式达到百公里级通信距离。 表 2 主要是使用 BB84 协议的。前已述及，由于没有理想单光子源，而弱相干光源造成多光子状况，因而有 Brassard 自己指出的“分离光子数攻击”—— Eve 从多光子中截取 1 个以窃取密钥。计算表明在距离超过 10km 时已是非安全的，所谓百公里级 QC 没有多大意义了。 表 2 1991 至 2005 年间的 QC 实验 国别 / 年份 实验者 实验性质 意义及性能 传输距离、速率 所用方案 美 (1991) IBM 公司 Bennett 小组 在自由空间 完成的 QC 实验 最早的 QKD 演示实验 32cm ， 10 b/s BB84 英 (1993) 国防部小组 在光纤系统中 完成的相位编码 QKD 实验 最早的使用光纤的量子信息传输 10km BB84 瑞士 (1993) 日内瓦大学 N.Gisin 小组 在光纤系统中 完成的光子偏振编码 QKD 实验 最先实现低误码率 ( 仅 0.54%) 1.1km BB84 瑞士 (1995) 同上 在日内瓦湖底铺设光缆并完成 QKD 实验 误码率 3.4% 23km 美 (2000) Los Alamos 国家实验室小组 在自由空间 完成的 QKD 实验 使量子通信向实用化前进一步 1.6km 中 (2000) 中科院物理所 吴令安小组 在 1995 年完成我国最早 QKD 实验基础上，用单模光纤实现国内最早的 QC 对量子通信是否可行作了实验验证 1.1km 瑞士 (2002) 日内瓦大学 N.Gisin 小组 在光纤中 用 PPS 完成的 QKD 实验 误码率 5.6% 67km ， 160b/s 中 (2003) 华东师范大学 曾和平小组 在光纤中 完成了 QKD 实验 在国内最先实现远距离 QKD 量子通信 50km 英 (2004) 剑桥 Shields 小组 在光纤中 实现远距离 QKD 实验 误码率 8.9% 122km 日 (2004) NEC 公司的 研究组 同上 实现日本的最远距离 QC 150km 中 (2005) 中国科技大学部光灿小组 同上 在北京与天津之间实现远距离 QC 125km QC 实验中都是用激光作强力衰减后而获得近似单光子源，而这种极弱光源的光子数仍服从 Poisson 分布，这就造成了被窃听的隐患。由于实际上没有真正的单光子源， Alice 处可能存在多光子。 Eve 可以监测所有脉冲的光子数，从多个光子中留下 1 个保存起来，其余光子仍到达 Bob 处。 Eve 一方面监听 Alice 与 Bob 的通信，然后测量所保存的光子；并形成光子数目分割（ PNS ）攻击。……解决之道，或是研制理想单光子源（这非常难），或是构思设计新方法。 QC 的固有弱点是它依赖于激光。激光被调到超低超度时还会有别的现象——意外地复制光子。第一个光子可被加密，但第二个不能。因此，在 BB84 、 E91 阶段就急于说“绝对安全”，很不合适。 2002~2005 年间出现了诱骗态 QKD ——利用信道的随机性，产生一个只有收发双方知道的密码；为了防止窃听，在发射时再插入一些诱骗码。使 Alice 有一个信号源 和一个诱骗源 ，信号源的平均光子数 Nl ，大多数时间发送单光子；诱骗源的平均光子数 N ≥ 1 ，大多数时间发送多光子。诱骗源的光子极化也是随机选择的，所以窃听者无法区分诱骗源和信号源。 Alice 从信号源 发送脉冲执行 BB84 协议，但是以几率α随机地用诱骗源 来代替信号源。在 PNS 攻击中，由于 Eve 将含有多个光子的脉冲传送给 Bob ，所以，多光子脉冲的通过率比单光子脉冲高。 Alice 可以随机地故意用多光子脉冲（诱骗态）代替部分信号脉冲。由于窃听者无法区分哪些是诱骗态，所以诱骗态的通过率和信号多光子脉冲的通过率是一致的，这样就可以通过测量诱骗态的通过率来判断 PNS 攻击是否存在。 自 2004~2005 年以后，各国研究者纷纷采用诱骗态原理建立 QC 系统，利用相干激光光源就可以得到和理想单光子源几乎一样的安全性和效率。因此，笔者认为 2005 年才是有实用意义的 QC 技术的起始（元）年，故真正的发展迄今只有 13 年。表 3 是 2004 年以后的几个国家的 QC 实验实例，其中有 2006 年美国 Los Alamos 实验室的工作，使用了诱骗态方法，采用相位编码，但增加了模式控制以随机产生信号脉冲、诱骗脉冲、空脉冲；通信距离 107km 。 2007 年至 2009 年间国内也有多个实验报道，例如 2007 年清华大学与中科大联合团队用光纤系统实现诱骗态量子密钥分发，采用极化编码，通信距离 102km 。因此，到 2006 年至 2007 年，百公里级 QC 实验的成功较为可信了。 表 3 2004 年以后的几个国外 QC 实验实例 国别 ( 年份 ) 实验单位 实验性质 意义及性能 传输距离 传输速率 所用方案 奥 (2004) 维也纳大学 Zeilinger 小组 在光纤中用纠缠光子实现 QKD 的实验 ( 光子波长 810nm) 采用了诱骗态 1.5km BB84 美 (2006) Los Alamos 国家实验室小组 在光纤中用诱骗态完成的量子通信实验 ( 相位编码 ) 为保证安全采用了诱骗态 107km 奥、德 (2007) R.Ursin 小组 在自由空间 完成的 QKD 实验 * 保持了多年的“最远纠缠型量子通信”记录 144km 奥 (2009) 维也纳大学 Zeilinger 小组 在光纤中用纠缠光子实现 QKD 实验 ( 光子波长 1550nm) 误码率 8% 50km 550 b/s B92 美 (2009) Conning 公司小组 在低损光纤系统中完成的远距量子传输 远距离 QKD 实验 250km 英 (2010) 剑桥 Shields 小组 在光纤系统中完成的 QKD 实验 实现高速传输 50km 1 Mb/s 总之，基本的 QKD 技术可分为两大类： ① 基于单光子的制备—测量（ prepare- measurement ）类型； ② 基于量子纠缠类型。在表 3 中，有 * 标记者为类型 ②，其余均为 类型 ①。 在 研究诱骗态技术的同时，另一项技术——量子安全直接通信（ quantum secure direct communication, QSDC ）发展起来，时在 2003~2007 年 。在这个方案中，接收者收到传输的所有量子态后可直接读出保密信息；由于量子数据以块状传输，发送者、接收者可做抽样分析，以此判断安全性。这种直接的信息传输没有加密、解密过程，我们已在表 1 中简述其原理。虽然应用纠缠光子对可实现 QSDC ，但也可以依靠单光子。对前一种情况，直接用纠缠态作信息的安全传输，不是生成密钥。它依靠光子对承载信息，还要有量子存储器，实现比较困难，因此一直未有实验。 2017 年 10 月，清华大学研究团队发表“长距离 QSDC 实验”论文 ，报道了实现的较长距离（现时 0.5km 、预期几十 km ）的首个光纤实验，用于信息编码的双极化纠缠的量子态精确度（ quantum state fidelity ）为 91% 及 88% 。用基于光纤的光通信波段量子光源，并利用光纤做量子存储器，第一次对这个协议进行了原理论证。光纤传输距离达到 500 米，说“长距离”是针对以前基于单光子的 QSDC 实验而讲的。这在国际上是最先实现光纤传输的 QSDC 实验。但这只是以实验实现 Bell 态的区分，从而论证了系统的编解码功能，没有对 Bell 态进行动态调控。论文中量子态的 fidelity 是指 Bell 态传输后保持在特定态的可信度，即 Bell 态测量的成功几率。 90% 左右是这类 Bell 态测量的一般水平；当然若从通信角度，它对应的误码率太大。因此，这只是个论证性实验。笔者认为此实验很重要，是在使用纠缠光子对的条件下验证了 QSDC 协议的可行性。 现在把本节内容作一小结。量子通信有两大类型： ① 基于单光子的制备—测量型的 QC 系统；这又分为用自由空间作量子信道的（ 1989 年美国 IBM 公司的最早系统，传输距离只有 0.32m ）和用光纤做量子信道的（ 1993 年英国国防部的系统即此）两种。 ② 基于纠缠型的 QC 系统；也分为用自由空间作量子信道的（ 2007 年奥、德的 QKD 传输距离达 144km ）和用光纤做量子信道的（ 2009 年奥地利的系统即此）。量子信道完成量子态的传播，实际应用较多的是光纤量子信道。……对于 QC 实验，目前较成功的也是两类：（ a ）同时使用纠缠态和诱骗态的 QKD 系统；（ b ）同时使用纠缠态和诱骗态的 QSDC 系统；相信它们能较好地在实际中应用。是否“无条件安全”？仍然不能那么说。 5 使用卫星的量子通信 上节内容主要讲使用光纤的 QC 技术，但对光纤量子信道有更多的问题需要考虑。突出的事情是光纤对量子信号的损耗的作用，以及光纤色散等效应的影响，会造成信号消失、量子比特消相干，从而限制了量子通信距离。由于单量子态不能放大，用光纤传输时 通 信距离受损耗限制，现在最高纪录是 400km 。因此，基于卫星平台的自由空间量子信道似乎更好，这也被称为大气信道。 中国研究人员决心走使用卫星之路，其基本考虑有两点 ： ①在同样距离下光子在光 纤 中的损耗远高于自由空间的损耗。光子在自由空间的损耗主要来自光斑的发散、大气对光子的吸收和散射，远小于光纤；②受到地面条件限制，很多地方无法铺设 量 子通信的专用光纤，因此要建设广域 量 子通信网络，必需依赖卫星的中转。 2011 年“量 子 科学实验卫星”课题在中科院立项，参加者有多个科研单位（表 4 ）；这是需要许多科技工作者参加才能完成的任务。 表 4 量 子 科学实验卫星研制分工（ 2011~2016 年） 单 位 科研（建设）任务 包含内容 上海微小卫星工程中心 小型卫星 重约 640kg ；设计寿命 2 年；运行高度约 500km 中国科技大学 量 子 纠缠源 量 子 实验控制与处理机 量子隐形传态接收、分析装置 中国科技大学 中科院上海技术物理所 量 子 密钥通信机 量 子 纠缠发射机 诱骗态 QKD 光 源 中科院国家天文台 中科院光电技术研究院 量 子 通信 地面站 在中国各地建 5 个 地面站 “墨子号” 2016 年 8 月 16 日发射升空，它有星载诱骗态量子光源。它的预定任务是，在高精度捕获、跟踪、瞄准系统的辅助 下 建立地面与卫星之间超远 距 离的量子信道，实现卫星地面之间的诱骗态量 子 密钥分发 ，开展“无条件安全”的星地量子保密通信实验。其量子密钥初始码产生率约为 10kbps 。 2018 年 3 月出版的《前沿科学》杂志说，在 2017 年底科技部主持了一个评比（选出“ 2017 年中国科学十大进展”），名列第一的是“实现星地千公里级量子纠缠和密钥分发及隐形传态”。在对成果的陈述中，提到“实现了空间大尺度上的量子力学非局域性检验”，“实现了千公里级量子密钥分发和地星量子隐形传态”，“突破了抗强度涨落诱骗态量子光源”，“突破了空间长寿命低噪声单光子检测”等。这样的成果陈述似乎未强调“无条件安全”。 那么真实情况究竟如何？中科大团队有一段话是这样的：“星地之间大部分路程接近真空，光子的损耗率要比在地面光纤中小得多，理论上将是构建实用化全球量子保密通信网络最可行方案。但潘建伟也曾吐露难处：‘有时候想，也许我们的项目将会崩溃，从不工作。卫星飞得那么快（ v≌8km/s ），还会遇到大气湍流等问题——单光子光束会受到严重影响。此外，必须克服来自太阳光、月球和城市光的噪声影响，这是比我们的单光子强得多的背景噪声。”研究团队每晚只有 5 分钟的时间窗口 ，此时卫星轨道高度大约 500 公里，其信号能够同时被两个地面站接收。在卫星发射伊始，就已经能够实现每秒进行一次量子纠缠。潘还说，目前主要的挑战是，如何在白天（光量子非常多的情况下）分辨并接收量子卫星的信号，以实现量子通信”（以上引文中着重点为笔者所加）。 从这些话我们看出以下几点： ① 对卫星通信而言，两个单光子组成的光子对，基本上只能在黑暗的夜晚执行 QC 任务； ②即使在 夜晚能工作的时间也很短，例如只有 5min ； ③ 量子纠缠并非任何时刻都能实现，而要取决于人员的操作； ④ 由于背景噪声的干扰，单光子光束的工作在白天会有很大困难。…… 情况既然如此，笔者觉得问题就大了。通信必须先有可靠性，即收发方作稳定持续的信息交换；然后才考虑安全性，即这种信息交换会不会被人窃听。如保证不了可靠地通信，讨论安全与否就没有意义。我们不知道后来是怎样解决的，看到的只是正面报道；例如在卫星发 射1 年后中国科学院的科学家们说：“一年里我们在构建‘量子网络’之路上迈出了三大步：实现了从卫星到地面 1200 公里距离的量子密钥分发；从地面到卫星的量子隐形传态；以及进行量子保密视频通话的第一组实验。得益于此，我们将通信质量提高到光纤通信的 20 倍。”中科院称，墨子号已第一次用于实际通信。中科院院长白春礼与奥地利科学院院长 Zeilinger 进行了世界首次洲际量子保密视频通话。这次通话使用的量子密钥先通过京沪干线北京控制中心与墨子号卫星河北兴隆地面站连接，然后通过墨子号进入奥地利地面站。京沪干线是一条连接北京、上海并贯穿济南和合肥的量子通信骨干网络。拥有量子通信地面站的维也纳和格拉茨之间也有类似的网络。这些网络和墨子号帮助在北京和维也纳之间建立了连接，从而实现两位科学家的量子保密视频通话。 另外，在 2018 年春季有新闻报道说：“ 2017 年 9 月 29 日世界首条量子保密通信干线（京沪干线）开通。同日，它与墨子号卫星链接，形成了洲际量子保密通信线路。” 2018 年 1 月有报道说：研究人员对照片进行量子加密后，将它们成功地在北京和维也纳之间进行了传输，传输距离达到 7600km ；接下来，两座城市的研究人员又举行了历时 75 分钟的视频会议，也是通过量子密钥进行加密。传统的密码系统是利用两个极大的质数相乘产生的积来加密，这会花费很多时间并耗费太多计算机处理能力。量子系统是通过将数据交流仅限于两方——发送方和接收方，而采用了更简单的方法，纠缠光子被发送到两个事先用特定偏振态进行编码的站点。卫星利用测量偏振态创造安全密钥，站点可利用安全密钥加密或解密数据。这在技术上是不可破解的，因为使用者可以很快察觉到第三方的出现：任何窃听者不改变它、甚至是不摧毁它就无法看到这些光子。也就是说，量子力学的原理使得传输在不被发送者或接收者发现的情况下被截获是不可能的。 这样的报道可能是过于乐观了；潘建伟是“墨子号”卫星项目的首席科学家，我们仍然想知道他怎么说。在 2016 年的某次采访中，有关文章说 ： “墨子号量子通信卫星作为天地一体化的空间中转站，承担着发射和传输光信号的重要任务。如何保证距离地球表面数百公里的光信号能够顺利被地面光学天线接收，潘建伟形象化地解释道，这其中涉及到的关键性实验技术的难度就好比是‘针尖对麦芒’一样。他说，由于卫星发 射的 光信号是极其微弱的单光子级别，在由空间向地面传输的过程中会受到许多因素的干扰，比如星光、灯光等都将成为干扰信号传输的背景噪声。此外，卫星的运动速度很快，地面的光学天线必须时刻紧跟卫星的节奏才有可能实现信号的准确接收。所以，在墨子号量子通信卫星的设计过程中，不仅要克服各种噪声的干扰保证信号源的稳定，同时还要实现与地面光学天线的准确对接。尽管是如同针尖对麦芒般苛刻的实验条件，但是在我国科学家的不懈努力下，如此困难的技术难题也依然得到了解决。” 在 2016 年潘先生撰写的文章中则说 ：“当然，若要实现高效的全球化量子通信，还要进一步跨越系列难关。由于单颗卫星无法直接覆盖全球，实现全球化量子通信还需要卫星组网，这就不可避免地有星地通道暴露在太阳光的强烈背景下。量子通信的传输载体是单光子，能量是非常微弱的，而太阳光含有大量的光子，每次探测能进入到探测器内部的大概有 10 18 个光子。这相当于要从 10 18 个光子捕捉到其中想要的那一个，技术难度可想而知。这需要选择在太阳辐射相对较弱的波段进行量子通信，同时还要发展对应波长的频率转换技术和高效的单光子探测技术等。另外，卫星组网还需要发展卫星之间的量子通信，由于卫星间的距离往往比较远，还需进一步提升跟瞄的精度。” 这些说法比较具体明确，但尚不能消除笔者对于“使用卫星的 QC 技术能否保证持续稳定的通信”的怀疑。例如，要从 10 18 个光子中捕捉到其中想要的那一个，不是技术难度大，而是根本不可能。即使把这个数字降为 10 8 个，实际上仍是不可能。 6 量子通信与单光子技术 光子是一种非常特殊的微观粒子 。由于在 QC 中使用单光子技术，整个情况更为复杂。众所周知光子不是一个物质粒子，在本质上是能量子。这来源于光子的原始定义 ，其基础是 Planck 的量子理论 (1900 年 ) 和 Einstein 用光子假说对光电效应所做解释 (1905 年 ) 。对这个能量子怎么看？物理学家们一直都十分为难， Einstein 本人甚至说“历经 50 年思考”也不能使自己明白光子到底是什么 。必须承认光子不是经典的东西，例如它决非一个圆形的刚性球；虽然人类很容易在脑海中这样想象光子，但它是错误的。实际上，没有人能给出光子的具体形象。 但光子并非只存在于数学方程式中，许多实验已证明其真实性，并且在科学实验中已广泛使用光子。然而又没有办法真实地掌握和掌控光子本身，因而只好通过光脉冲（即在时间轴上实际显示其强度和宽度的光信号），来体现对光子的掌控。 这种作法带来了新的困难——对光脉冲与光子关系的把握。通常， 1 个光脉冲中包含有多个（或很多个）光子。那么可否把事情简单化——使 1 个光脉冲就包含（或说代表） 1 个光子？从理论上讲不是没有可能，实际上却极其困难；人们就把这种情况称为理想单光子源（ perfect source of single photon ），并成为实际运用（例如量子通信 QC ）时追求的目标。很显然，技术应用中的源都是近似单光子源；这时 1 个光脉冲可能包含多个光子（多光子脉冲），极端情况下也可能没有光子（空脉冲），这是实验者都要努力避免的情况。 QC 中诱骗态的提出正是因为单光子源非理想所造成，由此可看出：要讨论 QC 的安全性，就必须考虑源的质量。有一个有用的概念——可预报单光子源，大意是说先产生相关联的双光子（这在技术上比较成熟），然后由对 1 路光子的探测预报另一路单光子的存在。这方面的理论研究表明，其安全通信距离可能接近于用理想单光子源时的水平。此外，研究也证明诱骗态 QKD 的使用使系统的性能提高。有文献甚至说，在没有理想单光子源条件下，采用诱骗态 QKD 可实现绝对安全通信，其距离相当于采用理想单光子源时的情况。……另外，为了可预报单光子源的研究，清华大学于 2003 年制成了最早的微结构光纤（ MSF ） ，并利用其本征双折射效应直接产生偏振纠缠双光子，在此基础上可以开发可预报单光子源，在保证单光子输出的基础上有效地避免空脉冲。 总之，可预报单光子源与弱相干光这两种光源的诱骗态量子密钥分发都可以更好地估计出单光子的通过率和错误率：所以都可以提高安全通信距离。但这些都是技术层面的问题；我们更关心的是，在 QC 技术中尤其是在使用卫星的情况下，究竟能否成功地运用单光子？为了使认识深刻化，仍然先以光纤系统作为讨论的基础。 对单光子而言，可以依靠偏振或相位或频率的改变来携带量子信息；也就是对单光子作量子编码 (quantum encoding) 。因而信道中传播的是量子态的变化。这并不意味着仅有 1 个光子 （ onle one photon ），因为那样的信息比特能量水平非常低。对这个问题笔者曾与李志远研究员讨论，他用 e mail 回复 说： “量子通信特指量子保密通信，即量子密钥通过量子通道传输，而信息通过普通信道（如光纤）传输。量子密钥由一系列单光子构成，对其量子态比如水平和垂直偏振进行合适的调制，形成量子密钥。如果在传输的过程中遭到窃听，其密钥串的状态（即某个单量子的状态）一定会发生改变，可以被检测出来。 现在来看量子通信的实际技术瓶颈，先对比经典的光纤通信。数字信息是由一个个的比特组成，每个比特在光纤通信系统里面由一个激光脉冲代表，由半导体激光器 ( 通常为面垂直发射激光器 VESEL) 阵列发射，经过主动调制（构建脉冲激光器）或者被动调制（对连续激光经过调制）的方式耦合进入光纤。对于一个 pJ 的 1.55um 激光脉冲而言，其包含 10 8 个光子；而对于一个 fJ 的激光脉冲而言，其包含 10 5 个光子。这么高能量水平的信息比特，很容易在光纤传输（存在低水平但是不为零的损耗）中保持其信息的完整性。另外，激光脉冲被高性能光电探测器（比如 III-V 族半导体）接收变成光电流脉冲信号（即光信息比特转换为电信息比特）后，虽然现有的光电探测器接收效率远低于 100% 的水平，加上探测器自身的散粒噪声和热噪声等，但是激光脉冲比特的能量水平保证其在光电转换过程中维持极高的信噪比，从而保持信息的完整性和可靠性。 再看量子通信；由于携带信息的是经过量子编码的单光子，其能量是普通光纤通信的信息比特的 10 -5 水平；但在传输信道以及半导体光电探测器方面和光纤通讯共用技术平台，单光子通信不可能保持信息传输及转换的完整性，通俗地说，发送方的信息比特串 (01011011 …， ) 是不可能 ( 或者说概率极低 ) 在接收方变成 (01011011 … ) 的。虽然量子通信研究人员没有很清楚地公布其编码方式，我估计要很多单光子在一起才构成一个信息比特。 从以上简单对比可以看出，所谓的量子通信或者单光子通信在实际上存在巨大的技术困难。要想达到理想的单光子量子比特的编码、传输和接收完整性和可靠性，现有的技术能力是完全做不到的。至于其他的衍生品，如量子雷达，物理上讲也是不可能的。当然，如果信息比特是由许多单光子（如一万个光子）构成的，那么就是偷换概念了。”（着重号均为笔者所加） 李志远先生的分析非常精辟，并且深入浅出、通俗易懂。 2017 年中国科学院曾发布一个新闻稿，其中有一段话说：“传统公钥加密通常依赖特定数学函数的求解难度。相比之下，量子密钥分发采用处于叠加态的单光子来确保相互远离的各方之间的无条件安全。”中文表达语“单光子”容易引起误会（以为只有 1 个光子），如用英文表达（ single photons ）就很清楚——原来是多个单光子，在 QKD 中一个一个地发送（见表 1 ）。不过我们不清楚究竟要用多少个单光子（李志远也不清楚， 10 4 个是举例而言）。至于信道的依托，为了持续稳定的通信，应当是光纤系统较为可靠。卫星系统能否在白天通信？令人怀疑。 7 挖掘单光子应用潜力的研究进展 前述内容使我们认识到在 QC 的发展中研究和运用单光子技术的重要性。实际上，谁都不可能在没有学会产生和操控单光子时奢谈掌握了 QC 技术。本节介绍两个研究方向——弥补光子丢失的探索和超级纠缠态的理论与实验，其意义是进一步彰显单光子研究对提高 QIT 能力的积极作用，是光子的应用潜力不断被挖掘出来的见证。 2018 年 1 月 5 日英国《每日邮报》报道说，澳大利亚 Grifes 大学量子动力学研究中心的研究人员把重点放在解决下述问题上——在光子传输过程中通过吸收或分发而丢失光子，则可能威胁到通信系统的安全性。随着量子信道的长度增加，顺利通过通信连接的光子越来越少，因为不存在完全透明的物质，吸收和分发会对其造成影响。这对于现有量子非局域性验证技术来说是一个问题。每丢失一个光子，就使窃听者通过模拟量子纠缠攻破网络安全设置变得更容易。解决的办法是，挑选在高损耗信道幸存的光子，将它们通过量子隐形传送传输到另一个“干净的”量子信道。为了完成量子隐形传送，研究人员额外增加了成对的高质量光子。必须高效率发送和探测这些高质量光子，使其能够弥补光子丢失。在工作中，研究人员使用了与美国国家标准与技术研究所联合开发的光子源和探测技术。 1997 年 P.Kwait 提出超级纠缠态（ hyper-entangled state, HES ）的概念。当一个光子对在超过单自由度（ one degree of freedom ）上呈现纠缠时，就发生了超级纠缠现象，而超纠缠光子对（ hyper-entangled photon pairs ）可携带更多信息。 我们知道，实际的单光子通信利用了光的特性——偏振（极化）作用，即随着其电场的空间变化，单个光子在某一时刻必须有两种极化状态之一（ 0 或 1 ）。简单的光学设备就能“读出”单个光子的这种极化属性，因此，在最通常的情况下，一个光子可以编码入 1 bit 信息。不过，科学家可以利用非线性的量子纠缠态来实现量子密集编码，增加单个光子携带的内容，从而实现单光子携带 1.585bit 。 2005 年至 2008 年，美国科学家 J.Barreiro 等 打破单光子携带信息量纪录。 Barreiro 等人采用新方法——两个光子不仅拥有自旋纠缠，而且被赋予了轨道角动量，这让它以螺旋状轨迹运动。虽然该过程并没有额外编码什么信息（携带信息的依然是极化方向），但这一光子“扭曲”能够让接受端梳理出密集编码方式中的 4 种状态。结果每个光子携带了 1.63bit ，增加了 3% 。增量虽不大，但从理论上说，最大可能的信息量是单光子携带 2bit ，故还可提高。 清华大学黄翊东团队近年来在 hyper entanglement 方面开展了研究 。众所周知纠缠光子对是 QIT 技术（包括量子通信、量子雷达、量子计算）的重要信号源。文献 说，可以用一定方法造成超级纠缠光子对，例如使用硅微环腔（ silicon micro-ring cavoty ），以及 4 波混频（ four wave mixing ）法，就可以产生这样的光子对。文献 则从理论和实验上进一步作阐述；这些工作都是使用光纤的。 8 量子通信是否能做到“无条件安全” 现在我们要面对最困难也最有分歧的问题了—— QC 技术是否真的“无条件安全”？尽管有许多质疑，但 QC 业界人士至今并不改口。例如 2018 年邓富国等 在论文中说：“量子通信将更早地全面进入人类生活，提供绝对安全的机密通信方式。”早在 2013 年，国内《量子通信》一书就说“量子通信技术具有的高速、超大容量和无条件安全使其具有无与伦比的发展潜力和应用前景” （以上引文中的着重点均为笔者所加）。 如果 在 2013 年说“无条件安全”、“无与伦比”尚情有可原，到 2018 年仍说“绝对安全”就很值得商榷了。 2018 年 6 月 8 日出现的文章“质疑量子通信，对弥补‘中国科学精神短板’是好事”，其中有一段话引起笔者注意：“一位著名院士在两会上说，经过 10-15 年的时间，量子通信工程将走进千家万户。他同时又在许多场合表示过量子通信‘无条件安全’。这些话合在一起不符合常识，因为任何国家都不会充许—种‘无条件保密’的技术进入千家万户，这显然会被反政府、恐怖分子利用，构成对国家安全的挑战。公众甚至媒体对这样的说法感到疑惑是正常的。”对此笔者有如下理解和想象——假定有一伙恐怖份子阴谋作个大案，他们分散各处通过通信制定计划协调行动；由于使用了“绝对安全”的 QC 技术，公安人员虽有线索但却不能监听到真正有用的信息，以致阴谋得逞。这样一来，先进的 QC 技术竟成了坏人的帮凶。 我们必须单独考虑“无条件安全”的可能性问题。通常的正面宣传是这样说：量子不可复制的特性，是量子通信安全性的根本来源。窃听者如果想拦截量子信号，就要对其进行测量，而这将破坏携带密钥信息的量子态，从而被发现。因此这种不可窃听不可复制的信息传输方式，可以保证信息传输的绝对安全。这是唯一一种从物理上保证信息安全的方式，和过去以计算复杂性为基础的传统密码通信相比要高明得多。 另—种说法则为：在量子通信过程中，量子被测量时会发生状态的突变，通信双方一旦发现状态有变就会停止通信，因此窃听确实会阻挠通信。但这并不等于量子通信没有用。首先，这种敌对的阻挠是一次性的：其次，跟安全但可能被阻挠的量子通信比较的对象，应该是畅通但可能泄密的传统通信。与通信被阻断相比，泄密更不可取。尤其是在安全性因素压倒一切的特殊需求中，量子通信的地位无可替代。 这两种说法大同小异，但这只是“你搞窃听我们会知道，就暂不通信了”；而不是“你根本窃听不了我们持续不断的通讯。”这两者显然是不同的。……如前所述，诱骗态的发明和使用本身就是对“无条件安全”说法的否定。另外，理想化单光子源也根本做不出来。所谓“ QC 从原理上天然地无法窃听”的说法，其实与 QC 技术发展的实践并不相符。笔者认为，我们现在只能从下述观点中两者择一： ——承认 QC 在构成原理上有天然优势；但认定在技术上无法保证绝对的反窃听，因而不追求无条件安全；但认为可做改进可能性的努力。（此为较乐观的看法）。 ——认为无论从原理上讲，或从技术上讲， QC 都不可能是绝对安全的；故其相对于传统通信的优势尚待证明。对它的工程开发，可能成功，也可能失败。（此为较悲观的看法）。 那么，在涉及通信安全问题上，量子通信科学家目前的动向是什么？ 2018 年邓富国等 的论文可以给出回答，该文论述了 QC 如何做光量子态避错传输及容错传输的问题。文章说，通常将可能对量子系统造成扰动的外界因素统称为噪声，噪声造成量子态出错 (error) 。为减少或消除错误，人们提出了一些有效的对抗噪声的方法。处理噪声影响首先要确定出错位置，发现错误；随后对于不能或不易纠正的错误采用避错方式抛弃出错样本，对于可以纠正的错误进行纠正修复。此外还有一类方法可以通过设计使错误自动抵消，实现容错通信。文章还论述了有代表性的对抗噪声的理论方案。论文没有说已对方案进行实验，给人的印象是 QC 业界科学家实际上认为通信安全问题并未解决，还有很长的路要走。……因此，对于 QC 的“天然安全性”的说辞，媒体和科学期刊都不要再重复了！ 还应指出，中国的研究团队已诚实地承认，墨子号卫星同地球之间的联系仍非绝对安全。正如他们的论文所说，缺陷在于卫星本身。只有通信方相信没有怀有恶意的宇航员秘密闯入卫星，从源头读量子密钥，这个系统才没有问题。 9 结束语 在物理学的多个学科中，量子力学 (QM) 被认为是最难懂的。长期以来 QM 被看成象牙塔中的学问，现在突然来到了广大公众身边。对于 QC ，人们在脑海中大致形成了如下的层次——首先认为我们已习惯于享受方便快捷的通讯，主要使用光纤系统和卫星系统；但传统通信的保密性不够好，因此科学界又献出了新技术——量子通信 (QC) 。这个 QC 仍要利用过去的工具（光纤和卫星），但它的新颖之处在于用量子方法实施通信，从而受到量子力学和物理定律的保护。因而现在人类有了理想的通信方式，大家只要和过去一样等着享用就可以了。 这种看法是天真的；但是，有的国际名刊也这样说，只是多用了一些专业性词语。 2018 年 1 月 19 日出版的《 Phys. Rev. Lett. 》刊登论文，重点叙述了中国在量子加密技术方面的突破。文章说，从历史上看，密码技术的每次进步都已经被破解技术的进步所打败。量子密钥分发终结了这场战斗；就像现代计算机中用以打开加密文件的密码一样，量子密钥也是一些长字符串，但它们被编码在量子粒子的物理状态中。这意味着它们不仅受到计算机极限的保护，同时还受到物理学定律的保护。现在，量子密钥可以通过卫星传输，对相隔万里的城市间发送的信息进行加密。 这种说法似是而非，掩盖了真实情况下的逻辑矛盾。首先， PRL 刊物所讲的只是量子加密，但什么是量子通信？它没有说。其次， PRL 当然知道诱骗态的发明和使用，那么一种“天然保密”的通信方式为何要这么麻烦，岂非多此一举？再次，用卫星传输电磁波是很方便的，已成功运用了很多年；但现在是用卫星传送单光子串序列（ series of single photons ）；正如本文所述，能否在白天进行持续稳定通信都还不敢肯定（这是 QC 的短板之一），怎么就这么方便地联络“相隔万里的城市”了？考虑问题时的简单化、理想化令人吃惊，而且发生在像 PRL 这样的名刊上。 笔者这样说并非否定发展 QC 的辛劳与成绩。从本文内容可以看出， QC 的发展经历了漫长的过程。经过多国科学家的巨大努力，才达到今天的研究规模。 QM 经过 90 年的锤炼，虽然不能说它完全没有问题，但其基本物理思想是正确的；它终于走出象牙塔而与信息科学相结合，是一件大好事。把量子纠缠态当作一种资源加以利用，也是极聪明的一着好棋。总之， QC 有可靠的物理基础，多国科学家献身于此无可指责。然而，说量子通信无条件安全则与事实不符。 回顾 QC 技术的整体发展并作深入思考后，笔者得出的结论如下： （ 1 ）量子通信是量子力学与传统通信相结合的产物，是独特的、非常值得研究的新通讯方式；但其安全性、保密性究竟如何，还有实验证明和应用考核。任何技术均不能说自己能保证无条件的通信安全， QC 亦不例外。 （ 2 ）在现时不能丢掉传统密码技术；不仅不能抛弃，还应继续深入研究，持续为用户提供安全保障。未来或许由传统密码技术和量子加密技术共同担负保障通信安全。 （ 3 ）对传统通信系统和量子通信系统，应从各方面作全面比较，看两者的通信距离、通信速率、误码率，以及经济性、适用性等方面的情况，才能令人信服。又例如传统密码系统可以保证信道安全，但不能保证信源安全；而量子加密也不能解决信源安全的问题。 （ 4 ）使用卫星的 QC 技术能否保证持续稳定的通信（特别在白天）？仍是一个令人担心的问题，至今尚缺乏清晰的理解。单光子产生技术和在科学实验中的运用都是真实的，不必怀疑；但它能否在重要的工程技术中担任可靠的角色，不能肯定。 ※ ※ ※ 致谢：在撰写本文过程中，笔者曾与几位专家（清华大学冯正和教授及张巍研究员、中科院物理所李志远研究员）讨论，获得有益的启发，谨此致谢！ 参考文献 黄志洵 . 从传统雷达到量子雷达 . 前沿科学， 2017,11 （ 1 ）： 4~21 黄志洵 . 量子 通信 的若干 问题 . 中国传媒大学学报 ( 自然科学版 ) ， 2018 ， 25(2) ： 1~11 黄志洵 . 试论量子通信的物理基础 . 中国传媒大学学报 ( 自然科学版 ) ， 25(5) ： 1~12; 又见： http://blog.science net.cn/blog-1354893-1123726.html Einstein A, Podolsky B, Rosen N. 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Generation of hyperentangled photon pairs . Phys. Rev. Lett., 2005, 95(26): 260501 Barreiro J. et.al. Beating the channel capacity limit for linear photonic superdense coding . Nat. Phys. 2008, 4: 282~286 Suo J. et.al. Generation of hyper-entanglement on polarization and energy-time based on a silicon micro-ring cavity . Opt. Exp., 2015, 23(4): 3985~3995 邓富国等 . 基于光量子态及容错传输的量子通信 . 物理学报， 2018 ， 67 （ 13 ）： 130301 1~15 裴昌幸等 . 量子通信 . 西安：西安电子科技大学出版社， 2013 Discussions on the Development and Security of Quantum Communication Technology HUANG Zhi-Xun （ Communication University of China, Beijing 100024 ） Abstract ： Although the story tells about the achievements on development of quantum communication by PRC in many recent reports, but it is still an endless debate in scientists. The basic importance of the quantum communication is contain three situations —— it has much faith in scientific principle or not, it is workable in technology or not, it is reliable in practice or not. For this reason, we discuss the recent advances and the fundamental working modes of quantum communication, and we study the application of single photon series, also analyze the possibility of socalled “ absolutely security. ” In this paper, we affirm the great significance and achievements of this subject, and we think that the scientists regarded the quantum entanglement as the resources is a brillant idea. But we are against the argument that the quantum communication has absolutely security. In other words. we don’t know the possibility of satellite communication on daytimes is stable and sustained or not. And when scientists use the single photon series on the important engineering, we don’t know it is fully competant or not. In the future times, the further examine of pragmatic feature must engage in practice. Key words: quantum key distribution(QKD); quantum secure direct communication(QSDC); quantum entanglement; decoy state; single photons series; security of quantum communication 作者简介： 黄志洵（ 1936 - ），中国传媒大学教授、博士生导师；中国科学院电子学研究所客座研究员。 E -mail: huangzhixun75@163.com
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什么样的技术可以最大程度地改变世界
热度 3 dfedhw 2016-8-14 16:17
人类经济社会的发展由形形色色的技术所构成，技术致力于持续创新人与自然资源的连接方式，使人不断获得功能上的延伸，进而以不可思议的方式改变着世界，层出不穷的创新似乎因此被笼上一层神秘的色彩。然而是否技术本身的科技含量越高，就意味着其改变生产力的能力越大？答案未必，反倒是那些看起来简单低成本、甚至显得有些“弱智”的技术对社会的发展起到了巨大的推动作用。 究竟什么样的技术可以最大程度地改变世界？笔者认为：应该是那类 能够以较低的经济和时间成本，完成对物质、能量、信息最大化传输的技术。 随着应用范围的逐渐扩大以及使用平均成本的降低，这类技术最终极大地改变了整个经济社会的面貌。 工业社会中，蒸汽机和电网技术首先实现了能量的转化和远距离传输；随之带动汽车、火车、飞行器、航运技术构成了完备的物资运输体系；信息时代，以手机互联网为代表的通信技术除了完成大量信息跨越时空的传送之外，又从更大程度上带动了物资和人流的移动。其它类似技术包括高速路、高架桥、地铁、电梯、监控、物联网 …… 以及最近炒得沸沸扬扬的“巴铁技术”，无一不是围绕着“传输”二字。 在这些林林总总的技术中，不得不提到的就是集装箱：一个铝制或钢制的大箱子，上面有很多的焊缝和铆钉，底部铺着木板，其中一端有两扇巨大的门，整个外形就像一只马口铁罐头盒，这件本身看起来没有什么技术含量的东西，却通过产品标准化建立起一整套高度自动化、低成本和低复杂性的运输体系，从而在海洋运输、公路运输、铁路运输甚至航空运输之间，轻盈地带着货物流转，进而改善和优化了工业制造的传统模式和流程。故此，集装箱的价值并不在于它是什么，而在于它如何在一个系统中被使用。 沿着这样的思路探索下去，如果仍能从我们的现实生活中挖掘出类似的输送需求或进一步提高效率的需求，并能够以技术实现低成本的转移和输送，自然会极大地改变这一技术领域的面貌。 技术从来就是需求和现象的产物：一种是先有需求，再结合偶然观察到的现象提炼总结出技术；另一种则是先注意到异常现象，由此提出并满足一种原本较为模糊的需求。 参考视频：罗辑思维《改变世界的箱子 84 》
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信息传输失真，张能立乃张天师下凡
热度 19 laserdai 2015-5-19 20:56
一种比较科技前沿的激光叫做——飞秒激光，这个飞秒激光的一个难点是空中（空间）的传输，因为他的来去时间太短，所以决定他的频谱很宽（测不准原理），因为频谱很宽，就需要很宽的路，还比如，大飞机因为很宽就需要很宽的跑道。这样的传输过程中，很宽的频谱就会产生变化（失真），传过一段距离后，就明显变化了，有了差别，得到的飞秒激光就跟原来的不一样了，并且走得越远差别越大，最后不成了样子。有个这个技术难关，所以，飞秒激光用作光纤通讯的可能性很低，因此距离也很遥远。如果说要用飞秒激光实现量子通讯，现在只能算科幻。这里飞秒激光是个信息载体，也是信息本身。 在现实社会中，信息的传输总是这样的，跟飞秒激光一样，传输过程中就有变化（失真），并且传输越远失真就越大。还有一个比较好的例子是，早年看到的笑话，从哈雷彗星到哈雷将军： 在1910年，某部队一次命令传递的过程是这样的： 　　少校对值班军官：明晚8点钟左右，哈雷彗星将可能在这个地区看到，这种彗星每隔76年才能看见一次。命令所有士兵着野战服在操场上集合，我将向他们解释这一罕见的现象。如果下雨的话，就在礼堂集合，我为他们放一部有关彗星的影片。 　　 　　值班军官对上尉：根据少校的命令，明晚8点，76年出现一次的哈雷彗星将在操场上空出现。如果下雨的话，就让士兵穿着野战服列队前往礼堂，这一罕见的现象将在那里出现。 　　上尉对中尉：根据少校的命令，明晚8点，非凡的哈雷彗星将身穿野战服在礼堂中出现。如果操场上下雨，少将将下达另一个命令，这种命令每隔76年才会出现一次。 　　 　　中尉对上士：明晚8点，少校将带着哈雷彗星在礼堂中出现，这是每隔76年才有的事。如果下雨的话，少校将命令彗星穿上野战服到操场上去。 　　 　　上士对士兵：在明晚8点下雨的时候，著名的76岁的哈雷将军将在少校的陪同下，身着野战服，开着他那彗星牌汽车，经过操场前往礼堂。 　 这次张能立的故事让他火了，同时，信息一波接一波往外传，传递过程中，必然出现了失真现象， 张能立本人也注意到了这种失真 。这里提供一个希望能成为最终版本的失真报道： 天上的张天师看到地上中国的学生唯唯诺诺，不敢挑战权威，因此中国的诺奖无望，加上西天的普贤真人冲他喋喋不休得说，中国重大科技突破今后50年也根本没有戏。气得哇哇暴叫，决定亲自下凡来亲自示范教教学生。于是就下凡在武汉某大学，恰好傍晚时分看到一位老师在散步，于是化身进去，这就是张能立。 之后才有了—— 师扑生跨 的成语故事。 还有一个类似的例子——白蛇传故事的开头部分：太白金星下凡到人间，化作一位老者，在杭州断桥边支起炉灶买油炸丸子，结果遇到小孩子许仙口馋，吃了一个仙丸，从此不饥饿了，后来仙丸吐出，掉到桥下的水中，正在修炼的白蛇游泳快抢到吃了，功力大增，成为白娘子，美丽无比，而乌龟游得慢，没有抢到，心里忌恨，后来也修炼成为法海。故事就此展开，白娘子为了报答许仙，制造了断桥偶遇的故事，并以身相许，而法海这个小花脸，总是背后捣鼓人家的好事，最后把白娘子压在雷锋塔下面。
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[转载]人类首次用激光在星际间进行图像数据传输
redtree 2013-1-20 23:00
人类首次用激光在星际间进行图像数据传输 作者：郭爽 来源：新华网 发布时间：2013-1-20 18:43:14 图片来源：Xiaoli Sun, NASA Goddard 美国航天局日前利用激光束将名画《蒙娜丽莎的微笑》传输到绕月飞行的“月球勘测轨道飞行器”上，这是人类首次利用激光在星际间进行图像数据传输。 美国航天局发表声明说，这是该局利用“月球勘测轨道飞行器”进行激光通信试验的一部分。通常飞离地球的航天器都是利用无线电通信，“月球勘测轨道飞行器”是目前唯一绕其他星球飞行且能使用激光通信的航天器。 这幅名画首先被数字编码，分解为152×200个像素；然后每个像素都变为激光脉冲，从美国航天局位于马里兰州的戈达德航天中心发出，传输到近24万英里（约38万公里）外的“月球勘测轨道飞行器”上，数据传输速率约为300比特每秒。 “月球勘测轨道飞行器”上的仪器在接收到激光脉冲后重建图像，并通过传统的无线电系统再将图像传回地球，从而验证激光传输成功。 “在不久的将来，这种简单的激光通信技术可能成为卫星无线电通信的补充”，美国航天局专家戴维·史密斯说，“再往后看，这种传输方式有可能实现比现有无线电通信线路更高的数据传输速率”。 美国“月球勘测轨道飞行器”项目耗资4．91亿美元，于2009年进入月球轨道，重点考察月球两极，为未来载人探月寻找合适的着陆点。
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[转载]第21届传输现象国际会议（ISTP-21）征稿
yiking 2010-5-7 22:49
The 21st International Symposium on Transport Phenomena November 2 – 5, 2010, Kaohsiung City, Taiwan www.istp-21.org Call for Paper Invited Session on Transport in Porous Media http://www.istp-21.org/images/ISTP-21-IS03.pdf Invited Session on Transport in Porous Media
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给我一台时空传输机--在飞机上的遐思
热度 1 tangchangjie 2010-2-3 16:51
给我一台时空传输机--在飞机上的遐思唐常杰 开完了十一五支撑计划项目的中期检查会，昨天晚上才回到学校，仆仆风尘。 春运期间开会，到会的科技工作者都是飞来飞去。飞得有点飘飘然，飘出了遐思、飘出了联想。在飞机上看电视报道春运正忙，多少学生正挤着火车汽车，多少民工正回家的火车票一票难求，联想起了多年前春节挤车回家的情景，引出了这片遐思。 40年前，一大批（两三个年级，几十万？）大学生从学校或军垦农场毕业分配到工作岗位。他们怀着理想、带着憧憬、充满劳其筋骨的信心到了农村、厂矿或边疆。因路途遥远，且花销较大（相对于42.5元左右的月工资），大约每隔两三年，我和我的同学们会回家过一次春节。先乘汽车，快则两天，慢则三天，再设法买火车票，在火车上，常先站几个小时，或许能等到一个座位，再坐上半天一天。我每次从那遥远的矿山回到家里，单程路途需要四五天。 回想起临近家门，远远看见母亲正在眺望的那种激动、现在也还激动；回想起当年同学重逢的那个兴奋、现在也还兴奋；回想起经历四五天奔波的那个疲惫，现在都觉得心累了。 作为过来人，充分理解今天挤车的学生和民工，辛苦了。 童话故事中，幸运的人常有奇遇（例如天上掉个宝葫芦，里面冒出的万能精灵，等等）， 幸运儿可以提出几个愿望，并能立刻实现。 如果真有那样幸运的机会，在飞机上遐想的我，向万能的精灵要什么呢？ 给我们千架飞机，让求学的游子快快回家，让白头的双亲不再等候，让孩子们高兴地向家人诉说一年的成长； 给我们万辆列车，抚慰辛苦了一年的民工的似箭归心，让他们梦里的亲人常伴左右；让尽孝的寸草之心报得三春之晖；让学会的技术在千乡万村开花结果。 给我们亿只喜鹊，搭成万座鹊桥，让万曲天伦诉尽情衷，让今年的春节兼情人节更加多彩、更加浪漫； 给我们百只飞碟（UFO），不，还是给我们一台时空传输机。如科幻片《星际旅行》描述，它可在传输中心C和任何四维点之间实现实体互传：它把实体E分解成了一片闪烁的粒子，传到目的地，重建对象E。我们只需编制一个简单的程序：任意两个四维点A,B之间，采用 A⇔传输中心C⇔B模式实现互传，从而解决所有的传输问题。 给我们X个Y，...... 上述都是遐想、幻想或混想。实实在在地，给我们一个稳定的环境，给我们足够的时间，按现在速度和科技，再有十年二十年时间，中国再建百条高速铁路，几百条高速公路,再增加一亿辆汽车，那时候，现在的挤车人给孩子们讲春运中的蹉跎难事或浪漫邂逅，一定要加上经典的开场白： “话说多年以前，it was long long ago,….”。 诗歌散文旅游系列 其他博文 唱给天堂母亲的一首歌 震撼与感动，自信而不自大，自豪而不自满----国庆看阅兵 看蜀韵、闻书香、遥想当年手抄本-- 书博会有感（图文 ） 春运时节在飞机上的遐思 (现实与科幻） 久违了的巴蜀夜雨、灌区黄花和水利设施 (现实与科幻 ） 农家乐里看博客-国庆大假见闻 ） 香港WISE2010照片 忙碌的十一月--又把聚会当作一次分手（几张照片） 绿色照片（摄于南昌及庐山） 火热春运今又是，换了空间 沿着江山起起伏伏温柔的曲线---清明看花
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