量子保密通信：慢不是問題，安全就行！

你家的網(wǎng)速是多少？現(xiàn)在千兆網(wǎng)線很常見，考慮到效率損失后家里網(wǎng)速達(dá)到幾百兆很正常。例如我家剛才測了一下，從路由器到互聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)速是349兆每秒。

你家的網(wǎng)速是多少？現(xiàn)在千兆網(wǎng)線很常見，考慮到效率損失后家里網(wǎng)速達(dá)到幾百兆很正常。例如我家剛才測了一下，從路由器到互聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)速是349兆每秒。

您的網(wǎng)速相當(dāng)于349 M

那么現(xiàn)在如果有人跟你說，給你提供一項高新技術(shù)，但網(wǎng)速下降到只有一百兆出頭，你干不干？你肯定會覺得很可笑，不會同意。但假如他再補充一點，這項高新技術(shù)可以讓你的通信完全安全，再也沒有泄密之憂，你干不干？

這項高新技術(shù)，就是量子保密通信，或者稱為量子密碼（quantum cryptography）、量子密鑰分發(fā)（quantum key distribution，簡稱QKD）。它最大的特點，就是能夠?qū)崿F(xiàn)“無條件安全”（unconditional security），即敵人即使有無限的計算能力，也無法破解你的密碼，這是能夠想象的最高程度的安全。而目前常用的保密方法都是“有條件安全”（conditional security），即敵人的計算能力如果夠強，就可以破解你的密碼。因此，量子密碼在本質(zhì)上就比傳統(tǒng)的保密方法安全得多，設(shè)想中的量子互聯(lián)網(wǎng)也被稱為“不可破解的網(wǎng)絡(luò)”（人民日報發(fā)表袁嵐峰文章：量子互聯(lián)網(wǎng)的未來）。

《量子互聯(lián)網(wǎng)的未來》（2023年1月11日發(fā)表于《人民日報》科技大觀欄目）（http://paper.people.com.cn/rmrb/html/2023-01/11/nw.D110000renmrb_20230111_2-15.htm）

然而如果你問我，量子密碼有什么缺點，我就會老老實實地告訴你：太慢了。例如2021年1月有一個大新聞，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)宣布建成天地一體化量子通信網(wǎng)絡(luò)（跨越4600公里，中國量子通信全球領(lǐng)先，歐美多久才能追上？| 袁嵐峰）。這指的是天上的“墨子號”衛(wèi)星和地上的“京滬干線”，前者實現(xiàn)了天地之間的量子保密通信，后者實現(xiàn)了從北京到上海2000公里距離上的量子保密通信，兩者組合起來實現(xiàn)了天地一體化的量子通信網(wǎng)絡(luò)。

中國的天地一體化量子通信網(wǎng)絡(luò)

然而京滬干線的傳輸速率是多少呢？論文表1里給出了數(shù)據(jù)：最低28.1 kbps，最高235.4 kbps，平均值只有79.3 kbps！這個單位甚至不是M，而是k！也就是說，一秒連一兆都不到。

《Nature》論文表1：天地一體化量子通信網(wǎng)絡(luò)中骨干網(wǎng)、四個城域網(wǎng)（北京、濟南、合肥、上海）、兩個地面站（興隆、南山）以及墨子號衛(wèi)星的各種指標(biāo)（中繼數(shù)、節(jié)點數(shù)、用戶數(shù)、連接數(shù)、平均長度、損失率、成碼率）

幾十k的傳輸速率，一下子讓我們夢回九十年代，剛開始上網(wǎng)的時候。那時典型的上網(wǎng)設(shè)備叫做“貓”，即MODEM（調(diào)制解調(diào)器），典型速率就是幾k、幾十k。用這種龜速看看文字還行，但是傳個圖片就要等老半天了，聽個音樂都費勁，看電影就更不用提了。這種網(wǎng)速還會讓經(jīng)歷者回憶起一些上古文化，如校園BBS和網(wǎng)絡(luò)小說《第一次親密接觸》……

為什么量子保密通信會如此之慢？因為實際上它是一種利用量子力學(xué)操作產(chǎn)生密鑰的方法，量子力學(xué)的奇妙之處在于能夠讓通信雙方直接共享一段相同的隨機字符串作為密鑰，不需要第三者的信使。這就是為什么如前面所說，它有個技術(shù)性名稱叫做量子密鑰分發(fā)（quantum key distribution，簡稱QKD）。但產(chǎn)生密鑰之后，要達(dá)到無條件安全，就必須“一次一密”地來用，即一段密鑰只能用一次。這還沒完，密鑰的長度還要和待傳輸?shù)拿魑男畔⒁粯娱L。也就是說，如果你要無條件安全地傳輸一本《紅樓夢》，那么你產(chǎn)生的密鑰就需要跟《紅樓夢》一樣長！

《紅樓夢》電視劇

而且一次一密意味著，這么長的密鑰還只能用一次。下次你如果又要傳一本《水滸傳》，那么你不能把剛才的密鑰拿來再用，你必須再產(chǎn)生一段跟《水滸傳》一樣長的密鑰。

至于密鑰產(chǎn)生了以后怎么傳加密的密文，那倒是非常簡單的：用任何常規(guī)的通信方式都可以，因為這樣加密的密文已經(jīng)是不可破解的了。因此，量子保密通信分為兩步，第一步是密鑰的產(chǎn)生，這一步是慢的，第二步是密文的傳輸，這一步是快的。這就決定了，量子保密通信的信息傳輸速度取決于第一步即密鑰產(chǎn)生的速度，術(shù)語叫做成碼率（secret key rate，簡稱SKR）。實際上，前面論文里那個表列出的就是成碼率。

下面重點來了：量子密碼的成碼率天然地就比較低，因為它在產(chǎn)生密鑰時，一次只能發(fā)一個光子。是的，這是跟常規(guī)通信的一個根本區(qū)別。常規(guī)的通信可以發(fā)很強的一束光，里邊包含很多個光子，但量子密鑰的產(chǎn)生過程一次只能發(fā)一個光子。

為什么呢？如果你只發(fā)一個光子，敵人就無法從中偷到信息，因為他不可能偷走半個光子。光子就像電子一樣，只能有零個、一個、兩個、三個，不可能有半個。而假如一次發(fā)多個光子，敵人就有可能通過偷走其中的一個來竊密了，這叫做“光子數(shù)分離攻擊”（photon number splitting attack）（量子加密驚現(xiàn)破綻？請媒體提高知識水平，不要亂搞大新聞 | 袁嵐峰）。所以一次發(fā)一個光子正是量子密碼的一大技術(shù)關(guān)鍵，完全封住了光子數(shù)分離攻擊。然而這也就決定了，它的成碼率會比較低。畢竟，一次傳一個光子怎么可能趕得上一次傳多個光子呢！

光子數(shù)分離攻擊

因此，量子密碼在實用過程中最顯而易見的瓶頸就是成碼率。畢竟如果跟你說，現(xiàn)在我能讓你的通信絕對保密，但速率只有幾十k，大多數(shù)人恐怕都不會接受，——除非你的信息是真正的絕密，要不惜一切代價保護的那種。

在我做量子信息科普的這些年中，我見過許多對量子信息的攻擊，各種角度的都有。其中比較有技術(shù)含量的一種就是：量子保密通信的成碼率太低，所以沒用。例如大家搜一下“成碼率”這個詞，立刻就能見到類似這樣的文章《量子通信技術(shù)困境之一：極低的成碼率》（http://www.yiguangdian.cn/article/15）。來給大家摘引幾句：

“在現(xiàn)代化高速、實時、多媒體互動通信的舞臺上，蝸牛般低速的成碼率使得量子通信沒有任何立足之地。……QKD極低的成碼率是被物理原理所決定的，靠工程技術(shù)很難發(fā)生實質(zhì)性的改變?！诂F(xiàn)代高速率、低延遲通信時代，超低成碼率的量子密鑰分發(fā)技術(shù)沒有任何切入口，是不可能有應(yīng)用前景的。”

真的是這樣嗎？下面來給大家看一條新聞：依托中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)組建的中科院量子信息與量子科技創(chuàng)新研究院潘建偉、徐飛虎等與上海微系統(tǒng)所、濟南量子技術(shù)研究院、哈爾濱工業(yè)大學(xué)等單位的科研人員合作，首次在國際上實現(xiàn)百兆比特率的實時量子密鑰分發(fā)，將此前的成碼率紀(jì)錄提升一個數(shù)量級（中科院量子信息與量子科技創(chuàng)新研究院實現(xiàn)百兆比特率量子密鑰分發(fā)量子科話 | 量子科話）。該成果于2023年3月14日在線發(fā)表于《自然·光子學(xué)》（https://www.nature.com/articles/s41566-023-01166-4）。

《超越110兆每秒的高速率量子密鑰分發(fā)》

這里說的百兆比特率具體是多少呢？是10公里標(biāo)準(zhǔn)光纖信道下115.8 Mbps。現(xiàn)在如果有人跟你說，能讓你的通信絕對保密，速率有一百多兆，愿意接受的人是不是就多得多了呢？

為什么會出現(xiàn)這樣峰回路轉(zhuǎn)的發(fā)展？前面那種認(rèn)為量子密碼沒用的文章錯在什么地方？錯在用靜止的眼光看問題。

前面的引文里有一句：“QKD極低的成碼率是被物理原理所決定的，靠工程技術(shù)很難發(fā)生實質(zhì)性的改變?！睂嶋H上，物理原理只能決定量子保密通信的傳輸速率比常規(guī)通信低，但并不能決定它的上限。近年來的實踐是，量子密碼的成碼率在快速增加。

例如，前面說的京滬干線79.3 kbps看起來很低，但你猜它的設(shè)計指標(biāo)是多少？是8 kbps！從8到80，實際上它已經(jīng)超出預(yù)期十倍了！

又如最新的百兆級新聞里有一句，將此前的成碼率紀(jì)錄提升一個數(shù)量級。這說的就是，以前的最高紀(jì)錄是10兆的量級，2018年實現(xiàn)的，現(xiàn)在提升到了百兆級。這些都反映了技術(shù)進步的速度。

如果你非常有好奇心，你也許會問，百兆級成碼率是如何實現(xiàn)的？答案可想而知，需要很多方面的進步。例如在發(fā)送端，發(fā)展了集成光子片上高速高保真度偏振態(tài)調(diào)制技術(shù)；在接收端，發(fā)展了高效率、低噪聲、高計數(shù)率的超導(dǎo)納米線單光子探測器。

這個超導(dǎo)納米線單光子探測器特別值得提一下，它是目前最好的單光子探測器，在量子通信之外的領(lǐng)域也有很多應(yīng)用。尤其有趣的是，它是中國生產(chǎn)的，不是進口的哦（超導(dǎo)單光子探測器為高速量子通信帶來新突破 | 量子科話）。具體而言，是中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所尤立星團隊（2400萬元的超導(dǎo)納米線探測器，居然是國產(chǎn)的 | 科技袁人）。

更加有趣的是，尤立星老師自己最初都認(rèn)為這是不可能的（https://www.cas.cn/zkyzs/2021/09/315/cmsm/202109/t20210914_4805673.shtml）！在參與“九章”光量子計算原型機研制之前，他的單光子探測器效率一直徘徊在10%左右。剛接到“九章”提出的“探測效率要達(dá)到80%”的目標(biāo)時，他認(rèn)為是“不可能的任務(wù)”，“沒想到經(jīng)過幾年的‘倒逼’，竟然真的達(dá)標(biāo)了，而且還發(fā)現(xiàn)了更多改進空間”。

《協(xié)同創(chuàng)新“聯(lián)合艦隊”打造最核心量子科研基地》（《文匯報》 2021年9月9日 第9版）

這個故事給我們一個更大的圖景，就是基礎(chǔ)研究對工程應(yīng)用的拉動。例如中國高能物理學(xué)界在為江門中微子實驗做準(zhǔn)備的時候，把中國的光電倍增管水平提高了一大截（想?yún)⑴c大型對撞機之爭？先搞清基本背景 | 袁嵐峰）。又如中國在為國際熱核聚變實驗堆（ITER）提供超導(dǎo)線的過程中極大地提高了水平，從一年幾公斤做到了幾百噸，變成了全世界的領(lǐng)導(dǎo)者（超導(dǎo)材料從發(fā)現(xiàn)到大規(guī)模應(yīng)用有多遠(yuǎn)？【無盡的前沿——“刺激”的室溫超導(dǎo)】｜科技袁人）。因此，以一時的技術(shù)指標(biāo)不足就認(rèn)為一個領(lǐng)域是騙局，這屬于一種典型的思維謬誤，客氣地說就是刻舟求劍。

這還啟發(fā)我們，對像量子密碼這樣的顛覆性科技，應(yīng)該首先認(rèn)識到它在質(zhì)的層面的突破，認(rèn)識到這是它的根本價值。如果有人說，它在量的層面有多少多少不足，所以它沒用，你應(yīng)該想到，那些是可以改進的。正如火車剛出來時沒有馬車跑得快，但有遠(yuǎn)見的人都能看出火車的前景比馬車強得多。類似的道理不僅適用于量子密碼，也適用于核聚變、量子計算、太空探索等很多領(lǐng)域。對這些領(lǐng)域也有人說它們是騙局，其實都是同樣的思維謬誤。

如果你能分清質(zhì)和量，你就不會被那種充滿術(shù)語的民科文章誤導(dǎo)，你的思維層次就超過了99%的人。正如比爾·蓋茨的名言：“人們總是高估未來兩年的變化，低估未來十年的變化?！庇秩缈苹么髱熆死说拿裕骸叭绻晃荒旮叩论康目茖W(xué)家說，某件事情是可能的，那他很可能是正確的；但如果他說，某件事情是不可能的，那他很可能是錯誤的?！?/p>

最后說一件有趣的事，即使京滬干線的平均速率只有79.3 kbps，它卻已經(jīng)能支持很多應(yīng)用，包括量子保密通信手機、人民幣跨境收付信息管理系統(tǒng)、電力業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)量子加密傳輸?shù)?。這是為什么呢？因為只要合理規(guī)劃，絕密數(shù)據(jù)的量其實可以很小。例如軍用命令體系里一個數(shù)字可能就足以代表一系列的戰(zhàn)術(shù)操作，這些戰(zhàn)術(shù)方案都是早就制定好的。更進一步，有些應(yīng)用并不需要實時生成密鑰，這時低成碼率就完全不是問題了，在不用的時候產(chǎn)生密鑰積累起來，要用的時候隨時取用，不就行了嗎？