'善戰者無赫赫之功'：量子通信是通向絕對安全的一把鑰匙 |

​作者 | 陳宇翱（2016年演講於墨子沙龍）

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近來媒體有很多報道，我們個人的隱私開始有很多洩露的情況。早在2014年， 12306、京東、最近是南都記者，他用600塊錢可以買到同事的精準定位，300塊錢可以買到高考以來所有的身份證使用有關的記錄，甚至打包買還可以打折。從我個人而言，我也經常會收到類似的短信，說我們可以幫你複製一張和他一樣的手機卡，能監聽他的電話、QQ。這些都表明我們的個人隱私，無時無刻都處在一個被洩露的風險當中。

信息危機

現在有報道稱因為個人隱私洩露所造成的經濟損失，全球範圍內達到上千億美元，我們知道從U盤，到海底光纜（我們從前以為它很安全），再到現在通過潛艇可以進行無感的竊聽。那麼無論個人隱私也好，甚至是國家的安全都需要信息的保障。

所有的這些信息都處於一個隨時暴露的狀態，怎麼辦呢？

有古而今

其實早在公元前400多年的時候，古希臘時代就已經有一些加密的技術。

古希臘人最早是拿一個棍子，把這個指令纏著，打開後就看不出原來的指令了，你必須用原來的棍子把它纏上才能看到指令。當然如果這個棍子不規則就更難破解一些。

再往後，凱撒大帝開創性地使用一個叫移位的編碼，他相當於把字母移開4位，比如說D對應A，E對應B，F對應C這樣子。後來發現我們講話的過程當中，其實字母的使用頻率是固定的，通過統計字母的使用頻率可以完全地破解這種加密方式。

接著在二戰時期，德國人機械水平領先，它是通過純機械的方式構建了Enigma機器，就是密碼機，用純機械產生1億億種的組合，這個看上去好像很難破解，確實在起初束手無策，造成了很多損失。

後來圖林最早發明了我們現在的計算機的第一代雛形Bombe機，破解了Enigma機，導致了二戰的結束。那麼為什麼它能夠被破解呢？因為儘管覺得1億億種很多，其實它還是有限的一個數字，一直到後來，包括我們現在有的公鑰體系用戶，比如說現有的我們銀行的加密體系裡面，包括Google郵箱使用的公鑰體系，都是基於計算的複雜度。

新的方案

比如說你要破解這個密碼，你用全世界所有計算機加起來，加起來你要給他算10萬年才能把它破解。在這種情況下就認為是安全的，但是不管怎麼樣它始終是可被計算的，那可被計算的，有一天當我們的計算能力達到一定水平的時候它就能夠被迅速破解，而目前所有的公鑰體系，都可以被量子計算所破解。

怎麼解決這個問題呢？早在其實在上個世紀50年代的時候就已經給出了方案，如果我用的密鑰跟明文一樣長，而我的密鑰完全隨機地產生，什麼意思呢？我對你每一個比特的加密方式，比如說對這個移一位，對這個移兩位，每次都不一樣，當密鑰長度跟明文一樣的時候，有無限種組合，意味著你無論多強的計算能力都沒有辦法把這個計算出來。

它這個叫做無條件安全。方案現在有了，問題就是兩個通信人之間怎麼把密鑰傳遞過去？比如說我跟潘老師建立通信，我怎麼把密鑰傳給他？當然最笨的方法就是我拿個密鑰本子跑到潘老師家裡交給他，下次我跟他通信就可以了。

但是密鑰總會用完，另外有些場合我也沒辦法去怎麼辦？而且現在我們的數據量是非常非常大的，我們每天在因特網上，我們家的帶寬也已經到50M了，每秒鐘50M 的數據，你是需要一個非常大的硬盤才能夠裝載這些密鑰。利用量子通信的方式，就開創性地提供了一個手段。

密鑰分發

我這裡簡單介紹一下量子密鑰分發的原理，我們經典的通信裡面它的信息都是以光的能量來編碼的，編碼0和1，能量很強的時候是1，能量弱的時候0，你仔細看的時候，發現不光是1，0的時候裡邊也有非常多的光子，這個時候如果我把這個光線稍微彎折一下，或者是讓它稍微漏出一點點光來，只要我的探測能力足夠，我就能夠讀取出全部的信息來， NSA監聽的時候，也是監聽數據傳輸線路上的，從光纖裡洩露出來的信息。

那量子通信是提供了這樣一個開創性的方式，突破傳統，它使用單個光子的量子態來攜帶密鑰信息，但這個密鑰信息有什麼好處呢？

第一，它是單個光子，不能被砍一半，因此它沒有辦法被複制，一旦你去看它它就會變化。這樣一來我就可以跟潘老師傳密鑰的話，我先給他傳一堆隨機數，因為這個裡面不攜帶任何的信息，只是密鑰，我們去看到底這組密鑰有沒有人去竊聽，有人竊聽我就不要了，我再傳，一直到我確保傳遞的信息沒有被竊聽的情況下，這個時候我再利用一次一密的方式進行加密。

量子密鑰分發就提供了一個無條件安全的密鑰分發手段。

這個密鑰分發最初是1984年提出來的，第一個實驗是1992年，在自由空間中走了大概32釐米，在此之後大家都把它放在光纖裡面去做，距離也是越做越遠，但是這裡面其實有個問題，所有的這些實際的安全距離都不遠，這些細節我就不講了。

不管怎麼樣，我們知道光纖有個很大的問題，光纖有損耗，我傳的距離很長以後這個光子就沒了，沒了以後就沒有辦法把密鑰正確地傳遞過去，怎麼辦呢？

我們在實驗室裡有一種方法就是用中繼的方式，比方說我要給彭承志傳密鑰，我先給潘老師傳，然後潘老師再給彭承志傳，在這種方式下可以我和彭承志之間就能建立起密鑰來。

但這個方法有一個問題，潘老師是知道我和彭承志的密鑰的，意味著什麼？意味著我跟彭承志所有的通信他如果想要竊聽都可以聽到，當然潘老師沒關係，如果換成另外一個不可信的人就有問題了。

量子中繼

首先是量子力學給我們提供了這麼一種手段，這裡不放潘老師，而是把這個量子的裝置放在這裡，可以做一個量子中繼。這個量子中繼有什麼好處呢？他可以允許我和彭承志之間通信，或者不允許。但一旦他同意我們通信，給我們建立密鑰之後，他是沒辦法知道我們密鑰的內容的，我們就可以建立安全通信了。

目前我們最好的光纖直接通信的限制是這樣的，如果我們想傳1千公里，直接用1千公里的光纖來傳，用目前實驗技術還不能達到。如果用最好的最快的光源配上最完美的探測器，每一個世紀能夠傳0.2個光子，這是直接傳的方式。

那量子中繼發展到哪一步了呢？量子中繼最好的技術也是在我們實驗室，目前量子中繼發展到在500公里以內不計成本的話，在500公里以內我們已經能夠做到1秒鐘（傳遞）一個（光子）。

但是我剛才提到，我們每秒鐘所需要傳的數據其實都非常非常多，每秒鐘一個肯定是不夠的。那怎麼辦呢？一種方式就是下篇彭承志會和大家講的利用衛星。另外一種方式，當初我們跟用戶做了一些城市內的通信之後，有一些用戶比如銀行和銀監會找我們，跟我們調研量子通信的情況，我們跟他們說，目前只能做在城市裡面，城市與城市之間量子通信問題在這，現在不能很快用量子中繼的方式做，無條件的安全通信方式做不了。

銀監會聽了我們的介紹之後，他們非常激動，他們說沒關係，你這個不需要完全用量子通信的方式，用可信通信方式對用戶來說已經足夠好了，為什麼？我們從前的通信裡面，比如說北京到上海2000多公里的光纖，整個光纖上任何一個點我都需要保護，都有可能有信息的洩露，但是用可信（中繼）的方式，那麼我從一條線上的信息洩露的風險縮小到了在幾個點上面，本來每個點都要保護，兩千公里就是無數個點，現在只要保護32個。

在這種情況下，加上其他用戶需求推動，我們開始在發改委的支持下和地方政府一起合作，開始建立北京到上海之間的量子保密通信京滬幹線，這是由我們中國科大承擔，由中國有線提供光纖電視。然後銀監會、工商銀行、民生銀行、新華社是用戶。

目前的應用是銀行，北京到上海之間的數據中心的遠程數據災備 、同城之間的數據中心的災備 、金融信息數據採集，現在其實隨著建設的推進，包括上海證券、保險都加進來，包括其他銀行如中國人民銀行、中國銀行也都開始使用我們的服務。

目前的建設情況是北京到上海之間的光纜已經打通，目前正在應用測試，各個銀行要把他們的數據加載上來跑，看看穩定性這些到底怎麼樣，預計在年後會正式交付使用，這個是當時現場安裝的一些照片。這個是上個月我們在上海的時候舉辦了一次國際會議，來自18個國家的將近400位專家來到這邊，我們給他們演示了合肥到上海之間的量子加密的視頻通話。

通信網絡

回過頭來看我們互聯網的發展歷程，因特網最初是在上個世紀70年代的時候，只是在美國國防部支持下的幾個大學之間，相當於大學實驗室裡面的場景，只有幾個大學之間點對點的連接。

到後來70年代末的時候，基本上每個學校實驗室都有了，但是學校和學校之間都是點對點的連接，比如說中間斷了，兩個學校之間沒有辦法交流。

一直到1988年的時候，NSF美國自然科學基金委提出了 NSF骨幹網的計劃，開始開建橫跨東西海岸的一個骨幹網。在這個之後以每年15%的速度增長，一直到1995年的時候因特網就基本上覆蓋了整個美國，NSF也就退出了舞臺，把這個因特網就交給了公司去運營。

我們其實希望能夠在基於京滬幹線的基礎上，繼續構建多橫多縱的（通信）網絡。

其實講到這裡，經常有朋友會問我，說宇翱你做這個東西，作為吃瓜群眾能感受到什麼？我覺得這個問題其實挺難回答，為什麼？因為我覺得問題提法有點不對。

是這樣，最早孫子講過，善戰者無赫赫之功，墨子有個很有意思的故事，當時魯班建了雲梯，楚國想要攻打宋國，墨子的思想是“兼愛、非攻”，聽到這個故事以後跑過去，就跟魯班激辯，最終勸說楚國放棄了這個計劃，結果他回去的時候下雨路過宋國，人家守城的人根本都不讓他進，躲一下雨都不讓他進。

這個故事想表達什麼呢？剛剛那個問題，應該這樣問，作為吃瓜群眾，未來不一定能夠感受到什麼，但是我想說經過我們的努力，當我們構建多橫多縱的網絡之後，當我們構建天地一體化的自主可控的網絡之後，我們一開始講的信息洩露慢慢地會退出舞臺，慢慢地你就感受不到了，就不會再發生。

關於“墨子沙龍”

墨子沙龍是由中國科學技術大學上海研究院主辦、上海市浦東新區科學技術協會及中國科大新創校友基金會協辦的公益性大型科普論壇。沙龍的科普對象為對科學有濃厚興趣、熱愛科普的普通民眾，力圖打造具有中學生學力便可以瞭解當下全球最尖端科學資訊的科普講壇。