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中学生都能读懂的量子通信

2019-06-20 10:27
启迪云计算
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引子

如果你对量子通信非常了解,可以忽略本文?如果对该领域不了解,那么可以通过本文了解量子通信的一些基本知识。笔者也在网上看了很多文章,发现如果是新手根本无从下手去理解量子通信,因为大部人并不是专业领域的人。所以笔者从一个学习者的角度,去梳理和解释量子通信。同时本文尽量减少采用专业术语,使用通俗的语言和例子带大家了解量子通信!文章几乎没有复制粘贴,90%以上的文字都是基于自己的理解进行码字,难免有不严谨之处,但不影响新手阅读。

讨论范围

最近一直炒得很热的就是量子通信,可以参考下图,量子通信就是量子力学和信息科学结合带来的产物。本文我们只讨论量子通信,且重点是量子密码。

中学生都能读懂的量子通信

量子定义

何为量子?量子是携带能量的最小单位。就像光就是由无数光量子组成的,比如一速阳光从太阳到达了地球,传递了多少能量呢,我们就可以数数到底有多少光量子到达了地球。光量子不能再分了,已经是最小的携带能量的单位了。

为了简化理解,我们把量子比作一个有状态的小球,有什么状态我们待会再说。

抛出观点

1、 常规数据通信,包括光纤通信,信息有被窃取的风险。

2、 通过秘钥对信息进行加密和解密的方案,目前虽然是主流。但并不是绝对安全。

3、 靠量子纠缠不能进行常规安全数据通信,至少当前技术上无法实现

4、 量子秘钥分发技术,可以实现绝对的数据安全

5、 量子秘钥分发,理论上可以借用量子纠缠,也可以不用。实际应用中不会用到,量子纠缠。

6、 量子通信的最大安全距离不断提升

观点证明

一、普通光纤通信的安全问题

光纤通信是目前常规的通信方式,几乎所有的通信都要走光纤。但光纤通信中的所有数据,都可以很容易的被窃听者获取。获取到办法也很简单。

方法一:通过分离光束法,简单来说就是把光纤切断,中间接个窃听设备。设备只捕获部分光,其余大部分光都放通,通过这种手段窃取信息。

方法二:弯曲耦合光纤的方法。光在光纤中基于全反射的原理,光不会泄露。但只要光纤弯曲炒股一定弧度,那么就会有部分光射出来了,光信号就泄露了。

二、普通秘钥的安全性问题

既然,光纤通信中,数据不可能避免被窃取的风险,那么可以引入秘钥对数据加密。即使数据丢了,也是密文。比如举个例子,发送方发了要发送,“it is a pig”,他采用了字母向前移动1位的方法,并且将发放告诉了接受方,所以“it is a pig”在发送时,被加密成了 “ju jt a qjh”。解密方使用将字母向后移动一位的方法,将加密信息还原。

中学生都能读懂的量子通信

如上表,但是这种方案有诸多问题。 第一,容易被猜到,在密文中反复出现的字母,很容易被猜出来,进而破解算法和秘钥。比如 ju jt b qjh中的j出现较多,很容易被裁成i。

第二,秘钥如何传递,秘钥的传递也是通过传统信道,同样容易被盗。

信息论的创始人香农(Claude E . Shannon)证明了一个数学定理:密钥如果满足三个条件,那么通信就是“绝对安全”的。

1)密钥是一串随机的字符串;2)密钥的长度跟明文一样,甚至更长;3)每传送一次密文就更换密钥,即“一次一密”。

如下图,为了传递 it is a pig 这8个字母,我的秘钥也是8位的。下次传输其他数据时,还要更换秘钥。

中学生都能读懂的量子通信

香农的定理听起来好像已经解决了保密通信的问题,但其实没有。真正的难题在于,怎么把密钥从一方传给另一方?

业界还有里那个外一种秘钥加密方案,叫RSA非对称加密。这种秘钥方案可以不用传递秘钥,也就排除了秘钥在传递过程中的风险。主要的思想是,接受者传递公钥,自己保留私钥,公钥用于加密,但是公钥无法解密。也就是公钥虽然传输,但是窃密者拿到公钥没办法解密。其实RSA这种非对称加密,并不是没办法解密,只是基于当前的计算机算力无法在短时间破解。有兴趣的可以去网上了解下,破解的过程主要难点在于如何是将一个超大的数拆成2个素数的积。

但是RSA还是有被破解的可能,尤其是已经通过实验在量子计算领域将破解RSA算法的算力有了指数级的降低。

到这里,我们知道了,我们目前使用的秘钥方案,都不是绝对安全的。

三、靠量子纠缠进行安全通信的不靠谱性

我们在看看基于当前技术,有没有一种不靠秘钥,靠构建一条安全通道,或者说隐秘通道让信息安全传输呢?

有人之前听过量子的一些基本概念,说可以靠量子纠缠来实现。这是最常见的对量子通信的误解。

量子纠缠,有人说是两个量子鬼魅般的超距作用,量子A伸左手,量子B就伸右手,并且是同时发生,不存在传递的时间。由于中间没有传输时间和传输介质,有理想的人就提出了,这样就可以实现超光速且不可被窃听的安全通信了。对、这只是幻想,他违背了爱伊斯坦的相对论,信息传递不可能超光速。

在这里我们还要抛出几个观点来佐证为什么量子纠缠不能传递发送者的有效信息

1) 通过量子纠缠(隐态传输),连发送方都不知道自己传递了什么信息。

2) 量子纠缠只能在实验室进行,距离应用还要很远的路要走

3)靠单量子取代现有通信方式,目前也很难进入应用领域

为什么量子纠缠(隐态传输),连发送方都不知道传递了什么信息?

啥叫纠缠,简单来说,就是两个量子如果处于纠缠态,那么他们的状态完全相反,不管离多远。但是纠缠态还是可以被打破,只要有设备对其中一个量子造成了影响,比如测量操作。但是如果不测量,发送方自己都不知道这个量子处于什么状态。这样如何传递预设的信息?

量子纠缠只能在实验室进行,距离应用还要很远的路要走

由于工程技术现在还达不到应用级别的量子纠缠分发能力,所以距离应用还比较遥远。

靠单量子取代现有通信方式,目前也很难进入应用领域

不用量子纠缠,使用常规量子通信目前也很难应用,问题主要是通信距离太短,生成量子的成码率太低。

四、量子秘钥分发技术,可以实现绝对的数据安全

继续抛出几个观点

1) 量子秘钥分发基于“单个量子”和“量子不可测量”两个条件保障安全

2) 量子秘钥分发,不使用量子纠缠

量子秘钥分发基于“单个量子”和“量子不可测量”两个条件保障安全

为了便于大家理解,我们举例说明

中学生都能读懂的量子通信

如上图,假设量子是发送者从高空自由落体的一个球,这个球的状态信息就是下落时处于圆盘的角度。下边放了一些同心圆盘。圆盘在0°、45°、90°和135°的扇面打了孔。如果球的下落角度正对着孔,那么通过圆盘时,圆盘的主人就会知道球是从哪个孔下落的。

由于小球在接触圆盘A之前,我们无法得知其运动的线路。当小球接触到圆盘A时,会随机选择一个孔穿过A,之后小球会一直沿着该直线下落。比如从A的90°口穿过后,会一直穿过B的90°口,状态不会改变。

球落到C盘以后,如果C盘没有90°和0°,那么球就会随机(50%概率)的从45°或者135°孔穿过C盘下落。

以上在中间设置圆盘的动作,就是测量。只有测量了,才知道球的运动角度。但是我们不知道球在接触A盘之前是什么角度下来的,可能是360°任何一个角度(延伸一下:每个角度都可以作为一个量子比特,所以量子比特很大)。通过圆盘时,我们只有几个孔,让球从其中一个孔掉落,这就破坏了原来的状态。这也叫做量子的不可测量,虽然你测量了,但是你测量的并不精确。

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