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        量子科技,下一個時代?

        2020-12-14 03:57:27向治霖
        南風(fēng)窗 2020年25期
        關(guān)鍵詞:實用化加密技術(shù)比特

        向治霖

        自從去年9月,谷歌宣布實現(xiàn)“量子霸權(quán)”以后,量子科技的發(fā)展明顯變快了。

        競逐的國家選手基本就位。只看今年,美國在5月發(fā)布了“量子網(wǎng)絡(luò)的戰(zhàn)略構(gòu)想”,布局通用量子計算機(jī)的未來。德國方面,在6月擬投了20億歐元,扶持一系列科技行業(yè),其中,就有對量子技術(shù)的實用化研究。到了7月,韓國三星聯(lián)手SK電訊,推出了全球第一款5G量子通信手機(jī)。

        中國也沒落后。政策上,國家支持的力度不小,在今年10月,中央政治局組織了集體學(xué)習(xí),內(nèi)容是關(guān)于量子科技的研究和應(yīng)用前景。

        實用化方面,尤其在“量子通信”的應(yīng)用上,了解該領(lǐng)域的人都知道,中國一直在領(lǐng)先地位。

        大國都在布局量子科技,這不是巧合。從技術(shù)的發(fā)展上看,未來可能有重大突破的,就是量子科技的領(lǐng)域。有人提出,它可能是下一個“工業(yè)革命”,這意味著 ,它將帶來一個新的時代。

        不過,形成鮮明對比的是,普通人對它似乎不感興趣,量子科技遭遇了“官熱民冷”。追究起來,量子科技偉則偉矣,但是太“高冷”了,不少人還沒明白,它到底是個啥。

        翻車了?

        讓人心酸又好笑的是,量子科技的實用化,它給人的第一印象似乎很壞。

        早在11月12日,國盾量子聯(lián)手中國電信,推出了一款“民用”的國產(chǎn)量子通信手機(jī),據(jù)媒體報道,它或?qū)⒃诮衲甑酌髂瓿跎鲜小H欢?,這則消息淹沒于網(wǎng)絡(luò),并沒有激起什么水花。

        到了11月24日,這款手機(jī)正式亮相了,但它招致的,更多是質(zhì)疑與嘲笑。

        在當(dāng)天的烏鎮(zhèn)互聯(lián)網(wǎng)之光博覽會,官媒“俠客島”的記者介紹這部手機(jī),在微博起了標(biāo)題《量子安全手機(jī),你見過嗎?》。熱度第一的評論卻是,“咳,量子鞋墊我都見過”。

        其它的評論也附和說,“不稀奇,很多保健品都是量子的”,“一聽到量子,就知道是老騙子了”。更有人篤定地說,“但凡沾上量子兩個字的,沒有不是騙子的”。

        這也難怪網(wǎng)友過激?!傲孔硬▌娱喿x”的魔性場面,至今還令人印象深刻,“量子+”保健品的搭配,更是層出不窮久矣?!孔恿W(xué)本身就難懂,多年來的噱頭營銷,讓消費(fèi)者對它敬而遠(yuǎn)之。

        “別問,問就是量子力學(xué)”,“別問,問就是平行世界”,以及另一個流行語“遇事不決,量子力學(xué)”,調(diào)侃的都是同一類事實:太多浮夸或者虛假的商業(yè)行為,將好好的理論,變成了玄學(xué)。

        但是這一次,來的是真家伙。

        量子通信手機(jī),并不只是中國有。今年5月,韓國的三星聯(lián)合SK電訊,發(fā)布了量子通信手機(jī)Galaxy A Quantum,半年內(nèi)的銷量據(jù)說有30萬臺。

        同樣是“制造商+運(yùn)營商”的搭配,國盾量子和中國電信推出的這部,叫國盾安全手機(jī)(A2021H),目前公開的機(jī)型是由中興手機(jī)改造而來。

        中國電信自不必說。國盾量子,全名“科大國盾量子技術(shù)股份有限公司”,發(fā)源于中科大、在科創(chuàng)板有“量子第一股”稱號,是一家量子科技公司。事實上,早在2018年,國盾量子就推出全球首款量子通信手機(jī),但它以政企用戶為主。

        解決了信任問題,用戶們?nèi)孕枇私?,“量子通信手機(jī)”究竟是什么?

        如果仔細(xì)留意,會發(fā)現(xiàn)這款手機(jī)“改名”了。最早推出時,媒體稱它“量子通信手機(jī)”,但在官網(wǎng)和博覽會亮相時,它又叫“量子安全手機(jī)”。

        用詞的差異,有偷梁換柱的嫌疑,但是,這不是企業(yè)的“鍋”。

        如果顧名思義,“量子通信”應(yīng)該是指,利用量子承載和傳輸信息,但“量子通信手機(jī)”還做不到。現(xiàn)在的它,只用到了量子加密技術(shù)。

        也就是說,用戶拿它打電話時,使用的仍然是經(jīng)典通信,但通話的內(nèi)容多了一層“量子密碼”。所以,量子安全手機(jī)的說法更準(zhǔn)確。下文將區(qū)分“量子通信”和“量子加密通信”,而兩者的混淆,是因為最早投入商用時,輿論命名的失誤。

        “半成品”

        如果是叫“量子安全手機(jī)”,它的特點也就明顯了,安全,“無條件的安全”。意思是說,使用它收發(fā)的信息,無論誰也不能破解。

        因為“量子加密”的實現(xiàn),是依據(jù)量子的物理特性決定的。

        而量子的特性,就是“玄學(xué)”的一部分了。最大的原因是,量子級別的微觀世界里,許多現(xiàn)象違背生活的常識。其次,對這些現(xiàn)象的解釋,現(xiàn)在的知識還很初級,很多時候“知其然,不知其所以然”。

        “別問,問就是量子力學(xué)”,“別問,問就是平行世界”,以及另一個流行語“遇事不決,量子力學(xué)”,調(diào)侃的都是同一類事實:太多浮夸或者虛假的商業(yè)行為,將好好的理論,變成了玄學(xué)。

        但“知其然”也是很夠用的,量子有三個經(jīng)典的特性,它們都和“量子通信”有關(guān)。

        一是疊加態(tài)。薛定諤的貓,依然是最經(jīng)典的比喻,假設(shè)盒子中有一只貓,那么在現(xiàn)實生活中,我們打開這個盒子,就可以知道這只貓是死是活。但如果這只貓具有量子特性,我們在打開盒子時,它有可能是活的,有可能是死的。盒子沒有打開前呢?這只貓?zhí)幵谒琅c活的兩種狀態(tài)。這就是疊加態(tài)。

        二是糾纏性。假設(shè)有兩只貓,它們是糾纏態(tài)的一對量子,那么,無論它們相隔多遠(yuǎn),在我們打開其中一只貓的盒子時,發(fā)現(xiàn)它是活的,另一只貓也一定是活的(或死的)。也就是說,我們確定了一只貓的狀態(tài),就能確定另一只貓的狀態(tài),無論這兩只貓相隔多遠(yuǎn)。

        三是量子不可克隆原理。既死又活的一只貓,在盒子打開的那刻,它的狀態(tài)確定了。那就意味著,我們無法在觀測過后,克隆出原先狀態(tài)的另一只貓。

        量子的這些奇妙特點,讓它成為絕佳的加密工具。

        信息學(xué)的鼻祖香農(nóng)提出,有一種加密方法,可以確保無法破解。它要具備三個條件:一是密碼的字符串隨機(jī)生成。二是密碼與明文一樣長,甚至更長,明文就是要保護(hù)的信息。三是“一次一密”,每一次加密都換新的密碼。

        但要知道,密碼是牢不可破了,可如果接收方也無法解密,那就沒有意義。因此,要將解密的辦法(密鑰)發(fā)給對方,還要保證過程的安全。這一點,量子加密通信實現(xiàn)了。

        如何實現(xiàn)的?利用光子的不同偏振態(tài)進(jìn)行編碼。在通信成功時,雙方產(chǎn)生相同的一串隨機(jī)數(shù)(密鑰)。接著,用密鑰加密明文,雙方就可以進(jìn)行加密通話。

        為什么是“無條件安全”?在這里,量子的特性起了作用。由于傳輸時的光子是疊加態(tài)的,那么,即便它被盜取,也不能形成密鑰?!I取無用。

        另外,由于量子的不可克隆原理,竊聽者無法造出相同狀態(tài)的一批光子,也就不能“貍貓換太子”誘騙密碼。當(dāng)然,要盜取發(fā)送的全部光子,本身就是不可能的。

        量子的特性決定,這種密鑰分發(fā)的技術(shù)不會被破解。但這尚屬理論的范疇,實驗室里實現(xiàn)了多少,是另一回事。落到用戶手里的技術(shù)有多少,更是另一回事。

        第一步

        即將上市的量子安全手機(jī),野心不小,但目標(biāo)似乎定得不高。中國電信相關(guān)人士接受媒體采訪時說,計劃在未來5年內(nèi),量子加密通信的用戶增加到100萬左右。

        才100萬?比起中國的手機(jī)用戶數(shù)量,幾乎可以忽略不計。

        其實,這也是不得已,量子通信網(wǎng)絡(luò)的建設(shè),畢竟剛剛開始。截至目前,公開報道的量子通信網(wǎng)絡(luò),只有2017年建成的“京滬干線”,以及一顆2016年發(fā)射的量子衛(wèi)星“墨子號”。

        硬件雖然少,但在當(dāng)時看來,初步建成了“天—地”一體化通信網(wǎng)絡(luò)。對繼續(xù)研究和改進(jìn)技術(shù)來說,或許是夠用了。據(jù)“中科院之聲”2017年的一篇文章介紹,“京滬干線”全線路密鑰率大于20kbps,可以滿足上萬用戶的密鑰分發(fā)業(yè)務(wù)需求。

        但現(xiàn)在,量子加密通信要投入民用,“基礎(chǔ)設(shè)施”的不足,想必會是很大的掣肘。所以,理論的歸理論,目前能對用戶端實現(xiàn)的,在技術(shù)上有所“減配”。

        據(jù)《經(jīng)濟(jì)觀察報》報道,量子密鑰的分發(fā),一方面是通過建設(shè)量子保密通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行廣域的分發(fā),另一方面,借助基于國產(chǎn)密碼芯片和國密算法的量子安全sim卡,完成對密鑰在手機(jī)里的植入。后一種情況,就屬于減配版量子加密通信。

        因此,量子科技實用化邁出的這一步,很難有樂觀的預(yù)期。首先,目前的經(jīng)典通信也有很強(qiáng)的加密技術(shù),對于“無條件安全”,有多少用戶是“剛需”呢?

        更重要的是,對普通人而言,這項技術(shù)吸引力很小。第一,普通人首先要面對,它從聽起來酷炫的“量子通信”,降級為“量子加密通信”。第二,技術(shù)層面上,現(xiàn)在還沒有實現(xiàn)“量子中繼”,要借助經(jīng)典通信的中繼站,就不是實際的“無條件安全”。第三,量子加密通信的基礎(chǔ)設(shè)施還很少。第四,技術(shù)在手機(jī)端的進(jìn)一步“減配”。

        如此看來,五年內(nèi)爭取到100萬用戶,這個目標(biāo)雖然小,但是卻是務(wù)實的。

        量子安全手機(jī)在此刻出現(xiàn),更容易讓人感受到的,是它的象征意義:量子科技,從此開始走入尋常生活。

        在路上

        或許可以換種說法,量子安全手機(jī)不是“當(dāng)下”的產(chǎn)品,它更像是一款面向未來需求的手機(jī)。

        尤其是在去年9月,谷歌實現(xiàn)量子霸權(quán)后,“無條件的安全”通信,其必要性更明顯了。這是因為,量子霸權(quán)一旦實用化,其強(qiáng)大的算力可能破解現(xiàn)在的加密技術(shù)(只是可能性,現(xiàn)在學(xué)界亦有爭議)。

        量子安全手機(jī)在此刻出現(xiàn),更容易讓人感受到的,是它的象征意義:量子科技,從此開始走入尋常生活。

        量子霸權(quán)也叫量子優(yōu)勢,屬于“量子計算”領(lǐng)域。它的意思是,在一些特定的算法上,量子計算機(jī)比經(jīng)典計算機(jī)有碾壓式的優(yōu)勢。

        優(yōu)勢有多大?谷歌在去年宣布時說,在解決一個算法時,目前最強(qiáng)的經(jīng)典計算機(jī)需要計算10000年,而他們的53位量子比特的計算機(jī),只需要3分20秒。

        其中的差距,來自量子比特與經(jīng)典比特的不同。因為量子的特性,一個量子比特可以同時是1或0,而經(jīng)典比特只能是1或0。這就導(dǎo)致,n個經(jīng)典比特,只能承載一個信息,而n個量子比特,可以承載2的n次方個信息。

        因為這個特性,量子在計算與存儲領(lǐng)域有巨大潛力。目前知道的是,在理論上,因式分解兩個大素數(shù)的乘積值,是量子計算所擅長的。

        然而,這個理論上可破解的算法,正是目前最流行的經(jīng)典加密技術(shù)“RSA加密”。那就是說,如果現(xiàn)在有一臺通用量子計算機(jī),那么對它而言,網(wǎng)絡(luò)上大部分的真實信息都在“裸奔”。

        RSA算法被量子計算破解,現(xiàn)在還只是在理論上的,大可不必感到焦慮。而且,要制造有實用價值的量子計算機(jī),它要經(jīng)過的路,不見得比量子通信短。這些,都只是正在發(fā)展的未來技術(shù)。

        但很明顯,未雨綢繆是必要的。

        量子科技應(yīng)用還有很多,除了加密技術(shù)和量子計算,最具有科幻感的就是“量子隱形傳態(tài)”了,它是基于量子糾纏的一個應(yīng)用設(shè)想。

        如果量子糾纏存在,那么對糾纏態(tài)的一對量子,無論它們距離多遠(yuǎn),都可以把a(bǔ)處的狀態(tài),“傳送”到b處。

        是否有些熟悉?對,嚴(yán)格來說,它才應(yīng)該叫量子通信技術(shù)。但在目前,它遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能實用化。

        未來正在路上,但這條路要走多久,尚未可知。11月18日,在一個高峰論壇上,中國科學(xué)院院士潘建偉說,量子加密通信的大規(guī)模商用,以及可用的量子計算機(jī)的實現(xiàn),據(jù)他預(yù)計,大概要有20~30年時間。

        量子科技的發(fā)展比想象中快。對今天的人來說,完全無法想象的事物,正在加速變成現(xiàn)實。

        但這也不奇怪了。畢竟,如果我們回到30年前,在上世紀(jì)90年代的中國,人們使用的還是1G網(wǎng)絡(luò)的“大哥大”呢。

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