不可被破解的量子網際網路，到底是個什麼網？

2020年7月23日，美國政府宣布了建設量子網際網路的藍圖，提出要把美國帶到全球量子競賽的前列，引領通信新時代。

美國政府宣布建設量子網際網路的藍圖

把美國帶到全球量子競賽的前列，引領通信新時代

這份報告稱，基於量子力學的通信系統是「二十一世紀最重要的技術前沿之一」，科學家計劃藉此建立一個「幾乎不可破解的網絡」，能夠更安全地控制和傳輸信息的量子網際網路目前處於發展初始階段，未來將對科學、工業及國家安全相關關鍵領域產生深遠影響。量子網際網路可能首先在銀行和醫療服務等行業推廣，應用於國家安全和航空通信領域，最終對全球每個人的生活產生廣泛影響。

基於量子力學的通信系統是二十一世紀最重要的技術前沿之一

幾乎不可破解的網絡

大多數人可能看不懂其中的科學術語，不過換一個角度講，就可以明白這是個什麼事了：美國是想在量子通信領域趕超中國。

量子網際網路是什麼？

近年來，中國在量子通信領域取得了不少世界領先的成果。例如，2016年8月16日發射世界第一顆量子科學實驗衛星「墨子號」，2017年9月29日開通世界第一條量子通信幹線「京滬幹線」。此外，在「量子隱形傳態」、「量子中繼」、「實驗判決量子引力理論」等前沿基礎研究領域，也走在世界前列。

墨子號量子科學實驗衛星郵票

我國首次實現多自由度量子隱形傳態

可以說，中國在量子通信領域是在引領世界的發展，這是少有的中國處於領跑而不是並跑的科學領域之一。在「十三五規劃」和國家主席新年賀詞等中央文件中，多次把量子通信作為中國標誌性的科學成果。

量子網際網路是量子通信網絡的最新稱呼。雖然量子通信在媒體上的曝光度已經不低，不過由於這個學科本身的門檻很高，需要以量子力學和密碼學作為基礎，所以大多數人可能還是不明白量子網際網路是幹什麼的。更糟糕的是，有許多錯誤的說法在網絡上流傳，許多人看了以後被攪得更糊塗了。

所以，我們先來簡略地指出量子網際網路是什麼和不是什麼，然後再稍微詳細地解釋它的原理。

量子網際網路是什麼？

簡略的回答是：它可以通過「量子密鑰分發」的方法，保證通信的「無條件安全」（即不會被任何數學方法破解）。

量子網際網路不是什麼？

量子網際網路不是什麼？

首先，它不是騙局。

這是非常令人哭笑不得的一點，我們居然需要先從「它不是騙局」開始講起。

自從中國在量子通信領域領先後，就出現了很多反對、質疑的聲音。許多人說這東西是偽科學，是欺騙領導的，潘建偉等人是騙子，說得振振有詞。其中還有些作者是國內外名校的工作人員，能講出不少科學術語，把普通群眾繞得將信將疑。

實際上，我已經寫過很多文章（你完全可以理解量子信息（1） | 袁嵐峰），介紹了相關的科學原理，解讀了這些質疑，它們全都在科學上站不住腳。不在學術機構的民科就不用說了，那些名校的工作人員也並不是做這方面研究的，甚至根本不是做研究的，他們在談論自己不擅長不了解的領域時其實跟民科是同一性質。

真正的量子通信研究者早就寫文章反駁過了他們，但他們從來不聽，只是不斷地重複自己。專業人士沒有時間跟他們無休止地糾纏（王向斌談量子保密通信：我為什麼不願回應自媒體的一些文章），於是在輿論上，就形成了民科聲勢浩大、專業人士默默無語的奇妙局面。

不時地，有朋友拿著這些民科的文章來問我。最初，我耐心地給他們講科學原理。後來發現，大多數人其實並不能聽懂這麼深奧的科學，他們只是看到一個說法就想來求證而已。

所以，我現在對他們的基本回答是：民科批判量子通信的文章都是網絡文章，從來沒有在同行審稿的正經科學雜誌發表過，因為它們通不過評審。一邊是在Nature、Science、RMP（《現代物理評論》）、PRL（《物理評論快報》）這樣的頂級科學期刊上發了很多論文，另一邊是一堆網絡文章說人家是騙局，哪邊可信不是顯而易見的嗎？你覺得這還需要來求證嗎？

換位思考一下，如果你是一個科學家，你的工作已經在許多頂級科學雜誌上發表，得到了科學界的公認，卻有一些民科不斷地嘰嘰喳喳，在網上寫文章批判你，你該怎麼辦？你會跟他們在網上論戰嗎？還是不理這些民科，集中精力做自己的研究？

答案顯然是後者，因為民科是永遠不會閉嘴的。事實上，對於任何一個有公眾知名度的科學成果，我都見到過民科去批判它。

反相對論的，反量子力學的，發明永動機的，證明哥德巴赫猜想的，這些都是常見題材。甚至連張益唐在孿生質數猜想方面的突破（質數的最小間隔有上限，人的奮鬥沒有上限 | 袁嵐峰），都有人說他是騙局。大家可以去搜一下，民科們的活躍度和想像力會讓你感覺打開了新世界的大門。

因此，我對大家的思維方式有一些基本的建議。一個人面對不懂的專業問題，有幾種合理的選擇。一種選擇是，你不想花精力去搞懂，於是不持任何意見。另一種選擇是，你真的想搞懂，那就自學成為專家。還有一種選擇是，直接聽專家的。只有這三種選擇是合理的。

而許多人的問題是：既不懂又想摻和，又不願意花時間去學，對真正的教材和論文沒有能力去看，只看自己看得懂的民科文章，然後就去質疑專家。這種做法在根本上就是錯誤的。

就量子通信這個具體的領域而言，民科們批判它的常見理由之一，就是「美國不搞這個，可見它沒有用處」。現在美國明確要用國家力量來建量子網際網路了，這些人會說什麼呢？他們是否認為，美國政府也被騙了，美國搞量子通信的也是騙子呢？

解釋完這些基本思維方式，下面我們繼續說量子網際網路不是什麼。

它不是超光速傳輸。量子通信的速度跟傳統通信一樣，不超過光速，不違反相對論。

然後，它不是量子糾纏。很多人聽說過量子糾纏這個詞，而且聽說它很神奇，所以聽到量子科技就認為是量子糾纏。量子糾纏確實很神奇，但它是一種工具。量子網際網路可以用到量子糾纏這個工具，也可以不用。

然後，它不是雷射通信。有些人說，量子通信只不過是雷射通信而已，完全沒有什麼高深之處。實際情況是，雷射通信也是一種新興科技，但跟量子通信完全是兩回事。

然後，它不是要取代當前的網際網路。不是說現在的網絡不能用了，而是要建一個新的網絡，提供新的應用。

其他腦洞大開的想法，也許還有許多。不過跟各種各樣的錯誤糾纏，是學不到知識的。

許多人的問題是，民科文章看得太多，正確的教材和科普文章看得太少。這是巨大的浪費。如果你仔細讀一遍我的4萬字文章《你完全可以理解量子信息》，你的收穫會超過看無數篇民科文章——看民科文章的收穫是負的。

所以量子網際網路是什麼？

如果你真的想理解量子網際網路是什麼，那麼簡略的回答就是前面提到的：通過「量子密鑰分發」的方法，保證通信的「無條件安全」（即不會被任何數學方法破解）。在此基礎上，還有很多更高級的技術。不過那些都還在實驗室研究階段，離實用還比較遠。只有量子密鑰分發，是已經實用的技術。下面，我們就來簡略地解釋一下量子密鑰分發。

傳統的加密方法，大都是基於某種數學問題的單向困難性。也就是說，一個問題沿著正方向很容易，你可以用它來加密，但逆方向就很困難，導致破解很困難。

舉個例子，現在最常用的密碼體系之一叫做RSA，它用到的數學難題叫做因數分解。也就是說，找到兩個大的質數，把它們乘起來得到一個合數，這是很容易的。但給你一個大的合數，把它分解成兩個質因數，這就是很困難的。

RSA密碼體系的三位發明者李維斯特（Ronald Linn Rivest）、沙米爾（Adi Shamir）和阿德曼（Leonard Adleman）

這些密碼算法保護了我們的支付、郵件、通話等網絡活動，這是了不起的功績。但有個巨大的隱患：到目前為止，我們沒有證明任何一個數學問題真的是單向困難的。甚至，連單向困難的問題是否存在，都還沒有得到解答。

我們之所以認為因數分解等某些問題是單向困難的，僅僅是基於經驗，即到目前為止沒見人解出來。但這顯然不是個真正可靠的理由：你怎麼知道別人解不出來？你怎麼知道將來的人解不出來？

更進一步想一想，你的敵人如果破解了你的密碼，他會告訴你嗎？答案顯然是不會。

二戰期間，盟國破解了德國和日本的密碼，但成功地隱瞞了破解的事實。盟國為此甚至不惜讓一些部隊去犧牲，讓德日以為自己的密碼還有效。

閃電戰創始人古德裡安在指揮車上，左下方是Enigma密碼機

因此，當你對某個密碼充滿信心的時候，完全有可能敵人早已把它破解了，只是你不知道而已。

乍看起來，這是個無法解決的問題。但當人們把量子力學跟密碼學結合起來，就提出了一種完全跳出傳統框架的量子密碼。

量子力學是物理學的一種基礎理論，其中有兩個原理可以為信息科學所用。

一個叫做疊加原理，意思是一個量子態可以等於兩個基本量子態的任意疊加。一個常見的實際例子，就是偏振光的偏振方向可以處於任何角度，每一個角度都可以理解為0度和90度兩種偏振狀態的某種疊加。

另一個原理是，測量可能導致狀態突變。舉個例子，如果有一束45度的偏振光，然後你讓它去過一個0度的濾波片，那麼會有一半的光通過，一半的光通不過。對於每一個光子而言，就是有一半的機率通過，一半的機率通不過。那些通過的光子，偏振方向就突變成了0度。你讓這些通過的光子再去過一個0度的濾波片，它們就會100%通過了。

基於這兩個原理，科學家們設計了一套方法。基本過程是：在發射端，A向B發射一系列單個光子，這些光子的狀態是隨機的，在0度、45度、90度和135度這四種偏振狀態中隨機選擇一個；在接收端，B對這些光子的狀態進行測量。最終的結果是，AB雙方獲得了一串隨機字符串。而且最關鍵的是，雙方的隨機字符串是完全相同的。雙方不需要見面核對，就可以確信這一點，這是由量子力學原理保證的。

量子密鑰分發

很抱歉，這裡不能解釋為什麼雙方的字符串是相同的，只能告訴你這個結果。如果你想了解細節，請去看我的文章《你完全可以理解量子信息》。如果你看明白了，肯定會高呼：真是太巧妙了！

你也許會問，這跟密碼學有什麼關係呢？關係在於，這串隨機字符串，可以作為「一次性便箋密鑰」。

什麼叫做一次性便箋密鑰呢？它是滿足這樣三個條件的字符串：第一，隨機；第二，長度跟明文相等；第三，一次一密。密碼學裡早已證明了，用這樣的密鑰加密的密文，不可能被任何數學手段破解，即使對方有無限的算力都不行。

為什麼不可能被破解？因為這樣的一段密文，可能對應任何的一段跟它等長的明文，而且概率相等。比如說，既可能對應「明天上午向東進攻」，也可能以同樣的概率對應「後天下午向西撤退」，所以完全無從選擇。

這真是太好了！不過問題立刻就來了：既然一次性便箋密碼不可破解，那我們直接用它不就得了？為什麼還要用RSA等等呢？

回答是：以前最大的漏洞在於密鑰分發。也就是說，你怎麼讓AB雙方都獲得這樣一串字符串呢？傳統的方法是派信使去送，但假如信使被抓了怎麼辦？叛變了怎麼辦？李玉和與甫志高的故事，大家都十分熟悉。

紅燈記

甫志高

因此，一次性便箋密碼以前是好看不好用。只有在極少數需要絕密而且不惜一切代價的地方，例如美俄總統通話，會用到這種方法。

但在量子密碼出現以後，情況就完全翻轉了。量子密碼的一次性便箋密鑰，是通話雙方直接產生的，沒有第三者介入，不需要信使去送。李玉和可以光榮下崗了，也不再有甫志高叛變的風險。實際上，量子密鑰的產生過程，就是分發過程。因此，這種技術被叫做「量子密鑰分發」。

這樣，一次性便箋密碼術一下子從好看不好用，變成了好看又好用。只要建立起量子密鑰分發的線路，任何兩個人之間都可以實現美俄總統通話級別的安全性。

量子網際網路的大圖景

量子密鑰分發是量子網際網路的基礎功能，已經投入了實用。從更宏大的圖景看來，量子網際網路的遠景目標是：將量子計算、量子傳感、量子密碼的應用和終端連接起來，產生、傳輸和應用量子資源，面向計算、感知和信息安全的通信網絡。

值得自豪的是，我國在量子通信網絡核心技術方面是世界的領導者。無論是量子密鑰分發的基礎技術，還是工程實踐，還是更高深的量子隱形傳態、量子中繼等技術，我國都走在世界最前列。

中國科學技術大學展示的「高速量子密鑰生成終端」模型

中國科學技術大學在國際上首次實現基於糾纏的無中繼千公裡級量子保密通信

美歐目前在跟隨中國發展。但如果我們掉以輕心，聽憑偽科學的鼓譟幹擾決策，減少投入，那麼美歐隨時可能反超我們。

我希望大家既了解科學原理，也了解科學的思維方式，了解一個陳述的可信度是從哪裡來的，懂得分辨真偽科學。在現代社會，這是最急需的公民素質。