中科院主辦的量子科普刊物，也出了錯？

【文/ 觀察者網專欄作者 加州大學洛杉磯分校物理系研究員 徐令予】

最近出版的《Newton科學世界》在“量子傳輸如何實現”一文中存在嚴重的錯誤。《Newton科學世界》是中國科學院主管、科學出版社主辦的，在這樣一本重量級的科普月刊上竟然出現如此嚴重錯誤，令人難以接受。

《Newton科學世界》2019年2月號的第35頁上有圖片如下：

圖片上注明，“方法1:在地面中繼處於量子糾纏態的光子”。相應的文字轉抄如下：

“如果量子資訊通信的距離更遠的話，則需要進行轉運站（量子中繼）。也就是說，在短距離內形成多個量子糾纏，之後將它們‘整合’在一起，形成一個連接發送方與接收方的長的量子糾纏（右圖下方）。”

“另一方面，中國的研究團隊不僅採用了地面量子中繼的方式，還採用了利用人造衛星從太空傳送光子的方式（圖片上方），成功地把處於量子糾纏態的光子傳送到了遙遠的地方。利用這種方法，不僅在中國國內成功實現了1200千米的量子資訊通信，而且還與距離中國7400千米之遠的奧地利成功實現了量子資訊通信。”

上面的圖片和白紙黑字都在強調：中國的量子通信使用的是量子糾纏態。這樣的科普實在錯得太離譜，事實上中國的量子通信工程與量子糾纏沒有一毛錢的關係。

從量子物理的角度來看，量子糾纏是多粒子體系中的量子力學現象，目前量子通信工程實質上僅是密鑰的分發，利用的是單光子自旋態（即偏振態）的量子效應，前者是多體問題，後者只是單體問題。在物理實驗中，操縱一個粒子肯定比操縱多個粒子要容易得多，工程實施時必須避難就易采取切實可行的方案，利用單光子徧振態是唯一正確可行的選擇。

量子糾纏目前只是實驗室中嬌嫩的花朵，美麗的花朵不一定都結果，量子糾纏在工程應用中的前景還十分遙遠模糊。

國內已建和在建的所有量子通信工程（包括京滬乾線工程）的技術基礎是美國科學家在1984年制定的BB84協定或該協定的改進版，該協定利用光子的偏振態作為資訊載體來傳遞密鑰，與量子糾纏效應真的一點關係也沒有。希望告知媒體，請不要在量子通信與量子糾纏的關係上沒完沒了的“糾纏”下去了。

但是願望終究只是願望，“樹欲靜而風不止”，隔三岔五媒體一定還會在量子通信工程問題上“糾纏”不清的，這背後的原因可能比“量子糾纏”還要複雜。

量子通信工程的科普報導出現太多雜音和錯亂，某種程度上與工程的性質有關。量子通信工程是跨越量子物理、網絡通信和密碼學幾大學科的綜合性工程。量子物理中的許多怪異現象已經夠令人糟心的了，通信理論也非省油的燈，再加上密碼學中深奧的數學，它們就是擋在學習理解量子通信前面的三座大山。

只可惜，大山常有而愚公難見，現代人碰到障礙的首選是走小路、抄捷徑、利益最大化。於是乎，各種一知半解、似是而非、人雲亦雲的量子通信科普文章就充斥在我們的媒體上。

我們的一些科普作者不僅不願意下死功夫把難懂的科學問題搞明白弄清楚，反而經常會使用一些自己也不了解的生澀難懂的術語來糊弄大眾，好像不如此不足以證明自己學富五車、博古通今。

量子通信工程的物理基礎是光子自旋態的量子效應，這是量子力學的最淺顯的表皮部分，它並沒有涉及太多深不可測的微觀世界理論。在與量子物理的關係上看，量子通信工程並不比半導體、雷射等技術更特殊。一些科普作者千方百計要把量子糾纏硬塞進與之無關的量子通信工程中去，他們可能覺得量子糾纏就是一個高大上的概念，有了量子糾纏不僅讓量子通信工程戴上迷人的光環，而且作者自己臉上似乎也添了些光彩。

不負責任地濫用“量子糾纏”概念的一個極端例子就是去年發生的“量子針灸”事件。有些人竟然用“量子糾纏”來解釋為什麽可以做到在母親身上扎針為孩子治病。還煞有其事的說：“根據量子糾纏理論的耦合關聯和超越時空性，父母與子女以及有血緣關係的親屬之間必然存在量子糾纏現象”。

量子通信科普中的許多問題與科普作者的學術水準和科學態度有一定的關係，但如果認為這些問題都可以甩鍋給媒體和科普作者，那就太圖樣圖森破了。其實量子通信科普中的許多問題就是量子通信工程建設中遇到的一系列的問題的反映和投射。世界上不存在十全十美的工程，一個工程項目有這樣那樣的問題實屬正常，但只要正視問題也並不可怕。但如果在問題面前采取遮遮蓋蓋、文過飾非的態度，就會因為封閉和不透明，在一定程度上導致科普中的混亂和失序。

量子通信科普中的問題和亂象就都集中在量子通信工程中的一些軟肋處，量子通信乾線的中繼站就是這些軟肋中的軟肋。《Newton科學世界》在量子通信的中繼問題上栽跟頭不奇怪。現在讓我們分析一下量子通信工程在中繼技術上究竟遇到了什麽麻煩。

依靠光纖作量子密鑰協商分發(QKD)的單次有效距離很難超越一百公里，遠距離QKD的解決方案是設立可信中繼站。“可信中繼站”其實就是一個量子通信的量子信號發送器與接收器的複合體，再加上電腦進行密鑰的加密與解密。這些“可信中繼站”需要兩個通信連接通道，一個是光纖組成的量子通道（綠色），另一個是傳統的通信通道（紅色）。

密鑰接力傳遞的具體流程是這樣的：先在1號和2號之間通過綠色的量子通道作量子密鑰協商，產生一個密鑰K1。同樣在2號和3號之間產生一個密鑰K2，以此類推得到N-1個密鑰。2號把K1作為待傳輸的明文，用K2作為密鑰按對稱密碼加密算法對它加密，密文Y1通過紅色的傳統通道送達3號，3號用K2解密得到K1明文。3號用相同方法把k1傳輸給4號……依次類推，“可信中繼站”就這樣一路把K1傳遞給N號，這樣在1號與N號之間就有了一個共享密鑰K1。

請注意，1號與N號之間得到的共享密鑰K1其實根本不是在所謂的無條件安全的量子信道中傳遞的，K1是用經典的對稱密碼加密後在普通線路上一路傳遞的。為什麽密鑰傳輸過程會變得如此扭曲呢？究其根本，是被BB84那個破協定給害的。

我們多次指出這個協定無法提供量子密鑰分發，它只是量子密鑰協商，“分發”和“協商”差之二字，失之千里。“分發”的密鑰是在過程之前就已被確定的，而“協商”的密鑰是在過程完成後才確定的。“協商”密鑰的不確定性決定了N個“可信中繼站”之間必然產生N-1個不同的密鑰。但是現在需要的是起始和終點兩站之間共享一個密鑰，沒有辦法，就只能把K1用對稱密碼不斷地重複加密和解密一路傳遞下去。

這裡揭露出了一個秘密，所謂的“量子通信”不僅數據加密解密依靠的是經典對稱密碼，而且只要通信距離超過一百公里，“量子通信”連密鑰分發也是用了經典對稱密碼。“量子通信”骨子裡用經典密碼分發密鑰，對外卻宣稱是量子密鑰分發，這裡走的是中成藥裡暗中摻進西藥然後高價叫賣的套路。

“可信中繼站”不僅成事不足，而且絕對是敗事有余。在“可信中繼站”裡，存在一個將密鑰K1不斷地加密解密的過程，密鑰K1在每個“可信中繼站”中都會以明文方式存在並與電腦和各種硬體接觸。因為中繼站同時接入量子信道和普通外網線路，所以中繼器中的電腦與外網上是無法絕對隔離的，任何知道電腦網絡攻防的普通IT工程師都知道這意味著什麽。

破解密文容易還是用黑客手段攻破電腦防護容易，答案是不言而喻的。量子通信的可信中繼站為密鑰失竊敞開了大門。何況有30多個節點可供攻擊，任何一個節點陷落都意味著密鑰的失竊。

無獨有偶，有關量子通信京滬乾線的科普漫畫作品也出現嚴重錯誤。這部科普漫畫作品是由墨子沙龍和科學松鼠會聯合創作推出的。墨子沙龍是中國科學技術大學上海研究院主辦的科普論壇。為了比較量子通信與經典通信的優劣，該科普作品製作了如下一張圖片[1]。

配合該圖片的文字為：“在可信中繼站之間，量子密鑰會接力傳遞。如果有敵人潛入了中繼站，密鑰就有可能被竊聽。但是，相比經典通信的處處設防，可信中繼的重點設防容易多了，所以，這種量子通信的實現方案，在現有的技術手段下，極大地提升了通信的安全性。”

“經典通信處處設防 VS 量子通信重點設備”，這個錯誤觀點出現在許多量子通信的科普作品中。持這種觀點的作者有教授學者和科普大伽，例如，《紐約時報》12月3日發表了《量子加密競賽方興未艾，中國已領先一步》的文章，其中引述了中國著名量子通信專家的一個觀點：“利用傳統的通信方式，竊聽者可以在光纖線路上每一點攔截數據流。政府難以探測到線上的攔截點的位置。陸教授表示，量子加密技術可以將京滬沿線1200英裡的可能被攻擊的點減少到了幾十個。”

我無法判斷《紐約時報》在引述過程中是否發生差錯，如果量子通信專家們真以為在光纖線路上攔截數據流就可以竊取通信秘密，那麽他們的密碼學常識已經低到令人震驚的地步。在通信線路上所有重要資訊（包括密鑰）都是經對稱密碼加密後以密文方式傳遞的，這些密文在信道上傳輸從來不用擔心被攔截和竊聽，經典對稱密碼的安全性是不容置疑的。

如果量子通信專家堅持認為經對稱密碼加密後的密文在通信線路上傳輸是不安全的，在整條通信線路上是需要點點設防的，那麽請問，量子通信在取得共享密鑰後，不是也用對稱密碼加密得到密文再送通信線路傳輸的嗎？

事實上量子通信中的密鑰在大多數情況下，難道不也是以密文方式在通信線路上傳輸的嗎？難道在這些通信線路上也需要點點設防嗎？如果真是這樣的話，那麽量子通信就需要通信線路上的點點設防人員，再加可信中繼站的守衛人員，量子通信需要的設防地點和人力不是仍比經典通信多得多嗎？

量子通信工程的專家會犯密碼學方面的低級錯誤，看似意料之外，實在情理之中。量子通信工程就是一個通信密碼學的工程，它與量子物理的關係並不比半導體芯片、雷射光源等工程更特殊更緊密。但是量子通信工程完全由量子物理實驗專家所主導，在這樣一個通信密碼學工程項目中我們幾乎聽不到通信密碼學的專家學者的聲音，豈不咄咄怪事！

由此也不難明白，為什麽量子通信工程的專家會犯密碼學方面的低級錯誤。隔行如隔山，一個量子物理專家在密碼學上鬧笑話，其實既不奇怪也沒有什麽可笑。學術界中隔行很容易犯錯，如果一定要糾錯，糾錯應該糾在為什麽要隔行去犯錯？同理，量子通信工程最應檢討的是人員的組織上，為什麽在這樣一個通信密碼工程的組織主導和科普宣傳團隊中不見通信密碼學專家權威的身影？

今天社會的飛速發展和進步靠的就是分工合作。科學、技術和工程對人才的培養和要求是相當的不同。由物理學家擔任密碼系統的負責人未必合適，物理學家在為人處事方面常常是太幼稚太天真，他們不具備密碼學家那種不信任所有人、懷疑一切的“陰暗心理”。

京滬量子通信乾線上使用了幾十個可信任中繼站，密碼系統的核心機密——對稱密鑰以明碼形式幾十次的重復出現，密鑰是裸奔的！面對如此嚴重安全隱患，大概也只有物理學家還能安穩睡大覺，這在密碼界從業人員看來是不可想像的。

電視劇《暗算》對密碼界從業人員有比較形象化的描述，他們是心理素質和思維方式非常特殊的群體，物理學家恐怕很難融入這個群體中去，一旦進入了這個群體也不太可能再回去做物理研究工作了。

歸根結底，量子通信的科學普及和工程建設中的亂象是一體兩面，都是外行長官內行的必然結果。量子通信概念的撥亂反正只能等待“王者歸來”——等待通信密碼學專家的回歸。

[1]漫畫：中國建成量子通信京滬乾線

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