陳宇翱：量子通信與信息安全 | 量子年夜飯（二）
前言：
近來(lái)媒體有很多報(bào)道，我們個(gè)人的隱私有泄露的情況。南都記者用600塊錢可以買到同事的精準(zhǔn)定位，300塊錢可以買到高考以來(lái)所有的身份證使用有關(guān)的記錄，甚至打包買還可以打折。我也經(jīng)常會(huì)收到類似的短信，說(shuō)可以幫我復(fù)制一張和他人一樣的手機(jī)卡，能監(jiān)聽(tīng)他的電話、QQ。這些都表明我們無(wú)時(shí)無(wú)刻都處于個(gè)人隱私被泄露的風(fēng)險(xiǎn)之中。
演講 | 陳宇翱（中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)近代物理系教授）
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信息危機(jī)
現(xiàn)在有報(bào)道稱因?yàn)閭€(gè)人隱私泄露所造成的經(jīng)濟(jì)損失，全球范圍內(nèi)達(dá)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(xiàn)在通過(guò)潛艇可以進(jìn)行無(wú)感的竊聽(tīng)。那么無(wú)論個(gè)人隱私也好，甚至是國(guó)家的安全都需要信息的保障。
由古而今
其實(shí)早在公元前400多年的時(shí)候，古希臘時(shí)代就已經(jīng)有一些加密的技術(shù)。
古希臘人最早是拿一個(gè)棍子，把這個(gè)指令纏在上面，打開(kāi)后就看不出原來(lái)的指令了，你必須用原來(lái)的棍子把它纏上才能看到指令。當(dāng)然如果這個(gè)棍子不規(guī)則就更難破解一些。
再往后，凱撒大帝開(kāi)創(chuàng)性地使用一個(gè)叫移位的編碼，他相當(dāng)于把字母移開(kāi)4位，比如說(shuō)D對(duì)應(yīng)A，E對(duì)應(yīng)B，F(xiàn)對(duì)應(yīng)C這樣子。后來(lái)發(fā)現(xiàn)我們講話的過(guò)程當(dāng)中，其實(shí)字母的使用頻率是固定的，通過(guò)統(tǒng)計(jì)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(zhàn)時(shí)期，德國(guó)人機(jī)械水平領(lǐng)先，它是通過(guò)純機(jī)械的方式構(gòu)建了Enigma機(jī)器，就是密碼機(jī)，用純機(jī)械產(chǎn)生1億億種的組合，這個(gè)看上去好像很難破解，確實(shí)在起初束手無(wú)策，造成了很多損失。
后來(lái)圖林最早發(fā)明了我們現(xiàn)在的計(jì)算機(jī)的第一代雛形Bombe機(jī)，破解了Enigma機(jī)，導(dǎo)致了二戰(zhàn)的結(jié)束。那么為什么它能夠被破解呢？因?yàn)楸M管覺(jué)得1億億種很多，其實(shí)它還是有限的一個(gè)數(shù)字，一直到后來(lái)，包括我們現(xiàn)在有的公鑰體系用戶，比如說(shuō)現(xiàn)有的我們銀行的加密體系里面，包括Google郵箱使用的公鑰體系，都是基于計(jì)算的復(fù)雜度。
新的方案
比如說(shuō)你要破解這個(gè)密碼，你用全世界所有計(jì)算機(jī)加起來(lái)，加起來(lái)你要給他算10萬(wàn)年才能把它破解。在這種情況下就認(rèn)為是安全的，但是不管怎么樣它始終是可被計(jì)算的，那可被計(jì)算的，有一天當(dāng)我們的計(jì)算能力達(dá)到一定水平的時(shí)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(jì)算所破解。
怎么解決這個(gè)問(wèn)題呢？早在其實(shí)在上個(gè)世紀(jì)50年代的時(shí)候就已經(jīng)給出了方案，如果我用的密鑰跟明文一樣長(zhǎng)，而我的密鑰完全隨機(jī)地產(chǎn)生，什么意思呢？我對(duì)你每一個(gè)比特的加密方式，比如說(shuō)對(duì)這個(gè)移一位，對(duì)這個(gè)移兩位，每次都不一樣，當(dāng)密鑰長(zhǎng)度跟明文一樣的時(shí)候，有無(wú)限種組合，意味著你無(wú)論多強(qiáng)的計(jì)算能力都沒(méi)有辦法把這個(gè)計(jì)算出來(lái)。
它這個(gè)叫做無(wú)條件安全。
方案現(xiàn)在有了，問(wèn)題就是兩個(gè)通信人之間怎么把密鑰傳遞過(guò)去？比如說(shuō)我跟潘建偉老師建立通信，我怎么把密鑰傳給他？當(dāng)然最笨的方法就是我拿個(gè)密鑰本子跑到潘老師家里交給他，下次我跟他通信就可以了。
但是密鑰總會(huì)用完，另外有些場(chǎng)合我也沒(méi)辦法去，這該怎么辦？而且現(xiàn)在我們的數(shù)據(jù)量是非常非常大的，我們每天在因特網(wǎng)上，我們家的帶寬也已經(jīng)到50M了，每秒鐘50M 的數(shù)據(jù)，需要一個(gè)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(kāi)創(chuàng)性地提供了一個(gè)手段。
秘鑰分發(fā)
我這里簡(jiǎn)單介紹一下量子密鑰分發(fā)的原理。在我們經(jīng)典的通信中，信息都是以光的能量來(lái)編碼的，編碼0和1，能量很強(qiáng)的時(shí)候是1，能量弱的時(shí)候0，你仔細(xì)看的時(shí)候，發(fā)現(xiàn)不光是1，0的時(shí)候里邊也有非常多的光子，這個(gè)時(shí)候如果我把這個(gè)光線稍微彎折一下，或者是讓它稍微漏出一點(diǎn)點(diǎn)光來(lái)，只要我的探測(cè)能力足夠，我就能夠讀取出全部的信息來(lái)，NSA（美國(guó)國(guó)家安全局）監(jiān)聽(tīng)的時(shí)候，也是監(jiān)聽(tīng)數(shù)據(jù)傳輸線路上的，從光纖里泄露出來(lái)的信息。
那量子通信是提供了這樣一個(gè)開(kāi)創(chuàng)性的方式，突破傳統(tǒng)，它使用單個(gè)光子的量子態(tài)來(lái)攜帶密鑰信息，但這個(gè)密鑰信息有什么好處呢？
第一，它是單個(gè)光子，不能被砍一半，因此它沒(méi)有辦法被復(fù)制，一旦你去看它它就會(huì)變化。這樣一來(lái)我就可以跟潘老師傳密鑰的話，我先給他傳一堆隨機(jī)數(shù)，因?yàn)檫@個(gè)里面不攜帶任何的信息，只是密鑰，我們?nèi)タ吹降走@組密鑰有沒(méi)有人去竊聽(tīng)，有人竊聽(tīng)我就不要了，我再傳，一直到我確保傳遞的信息沒(méi)有被竊聽(tīng)的情況下，這個(gè)時(shí)候我再利用一次一密的方式進(jìn)行加密。
量子密鑰分發(fā)就提供了一個(gè)無(wú)條件安全的密鑰分發(fā)手段。
這個(gè)密鑰分發(fā)最初是1984年提出來(lái)的，第一個(gè)實(shí)驗(yàn)是1992年，在自由空間中走了大概32厘米，在此之后大家都把它放在光纖里面去做，距離也是越做越遠(yuǎn)，但是這里面其實(shí)有個(gè)問(wèn)題，所有的這些實(shí)際的安全距離都不遠(yuǎn)，這些細(xì)節(jié)我就不講了。
不管怎么樣，我們知道光纖有個(gè)很大的問(wèn)題，光纖有損耗，我傳的距離很長(zhǎng)以后這個(gè)光子就沒(méi)了，沒(méi)了以后就沒(méi)有辦法把密鑰正確地傳遞過(guò)去，怎么辦呢？
我們?cè)趯?shí)驗(yàn)室里有一種方法就是用中繼的方式，比方說(shuō)我要給彭承志傳密鑰，我先給潘老師傳，然后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(lái)。
但這個(gè)方法有一個(gè)問(wèn)題，潘老師是知道我和彭承志的密鑰的，意味著什么？意味著我跟彭承志所有的通信他如果想要竊聽(tīng)都可以聽(tīng)到，當(dāng)然潘老師沒(méi)關(guān)系，如果換成另外一個(gè)不可信的人就有問(wèn)題了。
量子中繼
首先是量子力學(xué)給我們提供了這么一種手段，這里不放潘老師，而是把這個(gè)量子的裝置放在這里，可以做一個(gè)量子中繼。這個(gè)量子中繼有什么好處呢？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，給我們建立密鑰之后，他是沒(méi)辦法知道我們密鑰的內(nèi)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(lái)傳，用目前實(shí)驗(yàn)技術(shù)還不能達(dá)到。如果用最好的最快的光源配上最完美的探測(cè)器，每一個(gè)世紀(jì)能夠傳0.2個(gè)光子，這是直接傳的方式。
那量子中繼發(fā)展到哪一步了呢？量子中繼最好的技術(shù)也是在我們實(shí)驗(yàn)室，目前量子中繼發(fā)展到在500公里以內(nèi)不計(jì)成本的話，在500公里以內(nèi)我們已經(jīng)能夠做到1秒鐘（傳遞）一個(gè)（光子）。
但是我剛才提到，我們每秒鐘所需要傳的數(shù)據(jù)其實(shí)都非常非常多，每秒鐘一個(gè)肯定是不夠的。那怎么辦呢？一種方式就是下篇彭承志會(huì)和大家講的利用衛(wèi)星。另外一種方式，當(dāng)初我們跟用戶做了一些城市內(nèi)的通信之后，有一些用戶比如銀行和銀監(jiān)會(huì)找我們，跟我們調(diào)研量子通信的情況，我們跟他們說(shuō)，目前只能做在城市里面，城市與城市之間量子通信問(wèn)題在這，現(xiàn)在不能很快用量子中繼的方式做，無(wú)條件的安全通信方式做不了。
銀監(jiān)會(huì)聽(tīng)了我們的介紹之后，他們非常激動(dòng)，他們說(shuō)沒(méi)關(guān)系，你這個(gè)不需要完全用量子通信的方式，用可信通信方式對(duì)用戶來(lái)說(shuō)已經(jīng)足夠好了，為什么？我們從前的通信里面，比如說(shuō)北京到上海2000多公里的光纖，整個(gè)光纖上任何一個(gè)點(diǎn)我都需要保護(hù)，都有可能有信息的泄露，但是用可信（中繼）的方式，那么我從一條線上的信息泄露的風(fēng)險(xiǎn)縮小到了在幾個(gè)點(diǎn)上面，本來(lái)每個(gè)點(diǎn)都要保護(hù)，兩千公里就是無(wú)數(shù)個(gè)點(diǎn)，現(xiàn)在只要保護(hù)32個(gè)。
在這種情況下，加上其他用戶需求推動(dòng)，我們開(kāi)始在發(fā)改委的支持下和地方政府一起合作，開(kāi)始建立北京到上海之間的量子保密通信京滬干線，這是由我們中國(guó)科大承擔(dān)，由中國(guó)有線提供光纖電視。然后銀監(jiān)會(huì)、工商銀行、民生銀行、新華社是用戶。
目前的應(yīng)用是銀行，北京到上海之間的數(shù)據(jù)中心的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)災(zāi)備 、同城之間的數(shù)據(jù)中心的災(zāi)備 、金融信息數(shù)據(jù)采集，現(xiàn)在其實(shí)隨著建設(shè)的推進(jìn)，包括上海證券、保險(xiǎn)都加進(jìn)來(lái)，包括其他銀行如中國(guó)人民銀行、中國(guó)銀行也都開(kāi)始使用我們的服務(wù)。
目前的建設(shè)情況是北京到上海之間的光纜已經(jīng)打通，目前正在應(yīng)用測(cè)試，各個(gè)銀行要把他們的數(shù)據(jù)加載上來(lái)跑，看看穩(wěn)定性這些到底怎么樣，預(yù)計(jì)在年后會(huì)正式交付使用，這個(gè)是當(dāng)時(shí)現(xiàn)場(chǎng)安裝的一些照片。這個(gè)是上個(gè)月我們?cè)谏虾５臅r(shí)候舉辦了一次國(guó)際會(huì)議，來(lái)自18個(gè)國(guó)家的將近400位專家來(lái)到這邊，我們向他們演示了合肥到上海之間的量子加密的視頻通話。
安裝現(xiàn)場(chǎng)1
安裝現(xiàn)場(chǎng)
?會(huì)議現(xiàn)場(chǎng)
通信網(wǎng)絡(luò)
回過(guò)頭來(lái)看我們互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展歷程，因特網(wǎng)最初是在上個(gè)世紀(jì)70年代，只是在美國(guó)國(guó)防部支持下的幾個(gè)大學(xué)之間，相當(dāng)于大學(xué)實(shí)驗(yàn)室里面的場(chǎng)景，只有幾個(gè)大學(xué)之間點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的連接。
到后來(lái)70年代末，基本上每個(gè)學(xué)校實(shí)驗(yàn)室都有了，但是學(xué)校和學(xué)校之間都是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的連接，比如說(shuō)中間斷了，兩個(gè)學(xué)校之間沒(méi)有辦法交流。
一直到1988年，美國(guó)自然科學(xué)基金委（NSF）提出了 NSF骨干網(wǎng)的計(jì)劃，開(kāi)始開(kāi)建橫跨東西海岸的一個(gè)骨干網(wǎng)。在這個(gè)之后以每年15%的速度增長(zhǎng)，一直到1995年因特網(wǎng)就基本上覆蓋了整個(gè)美國(guó)，NSF也就退出了舞臺(tái)，把這個(gè)因特網(wǎng)就交給了公司去運(yùn)營(yíng)。
我們其實(shí)希望能夠在基于京滬干線的基礎(chǔ)上，繼續(xù)構(gòu)建多橫多縱的（通信）網(wǎng)絡(luò)。
其實(shí)講到這里，經(jīng)常有朋友會(huì)問(wèn)我，說(shuō)宇翱你做這個(gè)東西，作為吃瓜群眾能感受到什么？我覺(jué)得這個(gè)問(wèn)題其實(shí)挺難回答，為什么？因?yàn)槲矣X(jué)得問(wèn)題提法有點(diǎn)不對(duì)。
是這樣，最早孫子講過(guò)，善戰(zhàn)者無(wú)赫赫之功。墨子有個(gè)很有意思的故事，當(dāng)時(shí)魯班建了云梯，楚國(guó)想要攻打宋國(guó)，墨子的思想是“兼愛(ài)、非攻”，聽(tīng)到這個(gè)故事以后跑過(guò)去，就跟魯班激辯，最終勸說(shuō)楚國(guó)放棄了這個(gè)計(jì)劃，結(jié)果他回去的時(shí)候下雨路過(guò)宋國(guó)，人家守城的人根本都不讓他進(jìn)，躲一下雨都不讓他進(jìn)。
這個(gè)故事想表達(dá)什么呢？剛剛那個(gè)問(wèn)題，應(yīng)該這樣問(wèn)，作為吃瓜群眾，未來(lái)不一定能夠感受到什么，但是我想說(shuō)經(jīng)過(guò)我們的努力，當(dāng)我們構(gòu)建多橫多縱的網(wǎng)絡(luò)之后，當(dāng)我們構(gòu)建天地一體化的自主可控的網(wǎng)絡(luò)之后，我們一開(kāi)始講的信息泄露慢慢地會(huì)退出舞臺(tái)，慢慢地你就感受不到了，就不會(huì)再發(fā)生。
本文原載微信公號(hào)《墨子沙龍》，《知識(shí)分子》獲授權(quán)刊載，略有修訂。
制版編輯：姚蘭婷 |
