作者  袁岚峰
转自风云之声 6park.com
许多人听到类似“绝对不可破译”这样的说法，第一反应就是在哲学层面上不信：世界上怎么会有绝对的陈述呢？于是乎，任何人都能来掉几句书包，显摆一下自己的哲学修养：没有绝对安全的系统，任何声称绝对安全的系统最终都会被攻破云云。 6park.com
这些人貌似很有哲学水平，实际上是没有搞清楚人家说的是什么意思，乱发议论。你应该想一想，你能想到的，难道数学家们想不到吗？很多数学定理都是在某些前提下，得到一个绝对的结论。难道你能禁止数学中使用“绝对”这个词吗？别忘了，还有“绝对值”呢！希望读者朋友们提高知识水平，多谈有技术含量的干货，抛弃这种廉价的、自作聪明的哲学清谈。 6park.com
一件有趣的事，是量子密码研究者在对公众宣传时用词的变化。最初他们经常说“绝对安全性”，后来发现老是被人误解，于是就改说“无条件安全性”或者“完美安全性”。即使这样也经常被误解，于是最新的流行用词成了“信息论安全性”，意思是，如果你承认香农的信息论是正确的，那么你就会承认这种密码体系是安全的。 6park.com
你有没有觉得这个说法变得好听一点呢？实际上，所有这些词说的都是同样的意思！嗯，人类的本质不只是复读机，还包括朝三暮四的猴子…… 6park.com
值得注意的是，一次性便笺中的三个条件缺一不可。无论是密钥长度小于明文，还是密钥的各位之间有联系，还是同一串密钥用了两次，都会导致密文呈现某种结构，你的对手就有了着力之处，就可能通过频率分析之类的手段破解你的密码。大家可以自己想想这个道理，作为一个课后练习。 6park.com
好，现在来思考一下：既然一次性便笺密钥已经能保证不可破译，为什么大家不用这种方法呢？为什么还要花大力气发展各种各样复杂得多的密码体系呢？ 6park.com
原因其实也很明显。一次性便笺密钥跟原文一样长，你怎么传输这么大量的密钥？如果你有一个安全的信道来传输密钥，那么你用这个信道直接传输原文不就行了，还要加密干什么？之所以要加密，不就是因为没有安全的信道吗？这就好像《国产凌凌漆》里那个“有光照才会发光的手电筒”，成了一个一本正经的笑话。
如果你在不安全的信道上传输密钥，那密钥被人窃取了怎么办？如果你派一个信使去传送密钥，那么如果这个信使被抓了（例如《红灯记》中的李玉和），或者叛变了（例如《红岩》中的甫志高），那损失会有多么巨大？ 6park.com
在实用当中，一次性便笺只用在极少数的场合，就是那些需要绝对安全的通信，为此不惜任何代价的地方。例如美俄总统之间的热线，就是用这种方法来防护的。 6park.com
你也许会感到很失望：这种办法看似很完美，实际上反而是用得最少的啊！ 6park.com
别急，下面就是大反转的时刻了。 6park.com
你有没有注意到，到目前为止，我们谈的全都是作为数学方法的一次性便笺密码术，跟量子力学还毫无关系？ 6park.com
量子密码术，就是用量子力学的物理方法在通信双方产生了一次性便笺密钥。这里的要点是什么呢？是双方同时获得了密钥！没有第三者信使在中间传输！ 6park.com
听起来很不可思议，是吧？是的，这确实是非常巧妙的思想，量子力学创造的奇迹。量子密码术的技术含量，就是表现在这里。量子密钥的产生过程，同时就是分发过程，因此量子密码术又有个专业名称，叫做“量子密钥分发”（quantum key distribution），就是前面说的深科技的标题党文章（https://mp.weixin.qq.com/s/EVB3xGeT4rAjYkNCF9xboA）翻译成“量子键分布”的那个。 6park.com
有些文章把量子密码术贬得一钱不值，说这东西不过就是传统的激光通信之类，毫无技术含量。这些文章都是不懂装懂的人写的。你可以问问他：你有什么办法，不用信使就让通信双方共享密钥？他就抓瞎了。一个真正意义的高科技，给他们说成低科技，真是无知者无畏！ 6park.com
量子密码术的研究者在学术界获得过很多大奖，例如潘建伟团队不久前刚刚获得美国科学促进会颁发的2018年度克利夫兰奖。如果你不带偏见去看，你很容易就能看出，这个领域当然不是浪得虚名的，是有真材实料的。 6park.com
你肯定想问了，量子密码术是怎么实现无信使的密钥分发的呢？很遗憾，由于篇幅限制，在这里不能解释细节。 6park.com
回想一下前面打的预防针，再好的科普也不可能让你真正理解深奥的科学内容，博士寒窗苦读十几年不是白读的。在这里，只能非常简略地解释：量子密码术利用了量子力学中的两个原理，一个是叠加原理，另一个是测量可能导致状态突变。基于这两个原理，通过发射和接收一系列处于随机状态的单光子，来使通信双方获得一串相同的随机字符串。这串随机字符串，就是一次性便笺密钥。 6park.com
也就是说，通过一系列操作以后，双方都获得了一串随机的0和1，比如说0010111001001010101……最重要的是，双方的这个字符串完全一样。这就是最终的效果。 6park.com
如果你想知道具体的操作过程和背后的物理原理，那么，欢迎阅读我的文章《你完全可以理解量子信息》。很多人看了以后，都很开心地表示明白了哦~ 6park.com
有了密钥之后，干什么呢？后面就是用密钥把明文加密成密文，把密文发送出去。既然密文已经是不可破译的了，这一步就不需要任何特别的设备，直接在传统信道上大摇大摆地走就是了，敌人截获也无妨。 6park.com
一个常见的误解，是以为最后的信息传送要通过某种量子信道。当他们知道传统信道就行的时候，就感到大惑不解，甚至以为搞量子通信的都是骗子。 6park.com
另一个常见的误解，是以为密钥也要通过传统信道传输。这是绝对不可能的，如果你要把密钥通过不安全的信道发出去，那就完全失去了保密的意义。任何密码系统，都不会愚蠢到这种程度。 6park.com
总结一下，量子密码术真实的做法是：用量子信道产生密钥，用传统信道传送密文。你原来理解对了吗？ 6park.com
现在，你可以理解量子密码术的用处了。原来专属于美俄总统通话这种级别的安全性，现在可以在大得多的范围内实现了。同学们觉得开心吗？~ 6park.com
四、量子密码术的攻防 6park.com
几年以前，我有一次给某个系统的工作人员讲量子信息原理与技术。当我讲到量子密码术绝对不可破译的时候，我本来以为他们会很高兴，没想到他们纷纷来问我一个问题：如果我们想监控某些情报，而对方用了量子密码，我们该怎么办？ 6park.com
我感到非常意外，居然还有这样的问题？！ 6park.com
我读过量子信息的一些经典教材，但上面并没有讲这个。后来我咨询了一些量子通信的一线研究者，如我的科大同事张强教授，对此才有了一些概念。 6park.com
基本的框架其实很简单。既然数学方法是不可能破译量子密码的，那么唯一的途径当然就是物理方法，用各种手段入侵量子通信设备。也就是说，密码攻防猫捉老鼠的游戏并没有结束，在有了量子密码之后，窃密一方还是有的玩的，仍然有可能偷到信息。 6park.com
有些人在这里就出来和稀泥：你看，量子密码也可能被破解，可见它跟传统密码并没有本质的区别。还有人说：传统密码有种种好处，例如成熟、廉价、快速、易于组网等等，因此量子密码还不如传统密码，甚至是根本没有用处。 6park.com
应该如何看待这些观点呢？ 6park.com
其实这是一种典型的把水搅浑，偷换概念。 6park.com
我们在对传统密码的讨论中，主要考虑数学破解，是因为用数学就“有可能”破解它们，而不是“只有”用数学才能破解它们。请思考一下，用物理手段能不能破解传统密码？当然可以。否则，你认为各国的情报部门是干什么的？ 6park.com
因此，量子密码术和传统密码术的对比，并不是前者的威胁只来自物理，后者的威胁只来自数学。这是那些把水搅浑的人希望给你制造的印象，让你觉得这两个是差不多的，甚至数学难题还更可靠一些。实际的对比，应该是量子密码术面临的威胁只来自物理，传统密码术面临的威胁来自数学加物理！ 6park.com
你本来可能被数学攻破，也可能被物理攻破，现在我把数学的威胁关闭了，只剩下物理的威胁，这难道不是一个重大的进步吗？ 6park.com
我在2018年2月22日的科技袁人节目中（https://www.******/video/av19910566），说到日本在很多产业领域下降了，以前能卖整机，现在只能卖零件了。令我发笑的是，有些人在评论中说，卖零件的利润率比卖整机还高。 6park.com
我只好在2018年3月8日的科技袁人节目中（https://www.******/video/av20521208），答疑了一下这个问题： 6park.com
“难道你认为，我们是在比较整机和零件吗？难道你认为，日本当年做整机的时候，零件都用的是别人的吗？当然不是了。你要比较的对象，其实不是以前的整机对现在的零件，而是以前的整机加零件对现在的只有零件。这样看来，当然是下降了。这么说，你就清楚了吧？你看，非得说到这个程度才行！” 6park.com
在这里，我们遇到的就是同样的思维陷阱。 6park.com
我们还可以做个比喻。围棋选手甲，跟人分先下的胜率是90%。围棋选手乙，跟人分先下必定能赢，所以他现在都不下分先棋了，只下让子棋，下让子棋的胜率是60%。请问，你觉得哪个人的水平更高？ 6park.com
答案显然是乙。如果有人因为甲字面上的胜率更高而选了甲，那他的脑子确实已经成一锅浆糊了。 6park.com
棋手甲就好比传统密码术，棋手乙就好比量子密码术，分先棋好比数学攻击，让子棋好比数学加物理的攻击。我们平时不关心甲下让子棋的表现，不是因为他下让子棋比乙厉害，而是因为他连分先都不一定能赢，哪里还轮得到考虑让子。敢于下让子棋，而且只下让子棋，这本身就是棋手乙比棋手甲高明的表现！ 6park.com
我们还可以再做一个比喻。让子棋好歹还是在按照规则下棋，而物理攻击更像作弊，比如说，在棋盘上钻个洞，或者把棋盘倾斜过来，甚至拿棋盘砸人脑袋。 6park.com
最后一句不是随便说说的哦。西汉时，汉景帝刘启作太子的时候，跟吴王刘濞的太子刘贤下棋。两人争执起来，刘启就拿棋盘砸刘贤，把刘贤给打死了。这事成了七国之乱的一个诱因。你看，棋盘就像《食神》中的折凳一样，也是一种了不得的武器啊！ 6park.com
这样看起来，你就更能理解棋手乙的厉害之处了。面对种种匪夷所思的作弊手段，他竟然还是经常能赢！ 6park.com
当然，比喻只是个比喻。我们需要强调一点，这里说的“赢”，是指保住了秘密，没有泄露，并不是一定要把信息发出去。敌人可以破坏你的器件，或者不停地干扰，让你无法通信，但只要没有偷到信息，都算他输。 6park.com
还有，我们讨论的是窃密，而不是抢劫。用《水浒传》来作比喻，我们允许的是像鼓上蚤时迁那样神不知鬼不觉地把信息偷走，而不是像黑旋风李逵那样抡起两把板斧杀上门去。也就是说，物理攻击如果被通信者发现，就算攻击者输。 6park.com
这些是很合理的条件。我都允许你作弊了，好比我允许你拿着火箭筒，我却只有把小手枪，如果你简简单单地把我轰杀就算你赢，那这游戏还有什么意义？ 6park.com
也就是说，——作弊也要按照基本法啊！ 6park.com
在以上这些框架下，我们可以来介绍量子密码术的攻防状况了。 6park.com
最容易产生的想法是：如果被物理攻击，量子密码术是不是就挂了？所以我们唯一的出路，只能是尽量谨慎点，多盯着监控？ 6park.com
非常惊人的是，答案居然是“否”。 6park.com
量子密码术现在的研究前沿，就是在假定敌人成功地进行了若干种物理攻击的前提下，我仍然能够保证信息不泄露。 6park.com
例如，我可以把我的测量仪器都交给你，随你怎么去捣鬼，但我仍然有办法发现你在捣鬼，因此及时地中止生成密钥，信息也就不会泄露。这叫做“测量仪器无关的量子密钥分发”（MDI-QKD，是measurement device independent quantum key distribution的缩写），在这个领域里中国也走在世界前列。 6park.com
想想看，这是多么令人吃惊的技术！简直好像《倚天屠龙记》里，空见神僧的金刚不坏体神功。 6park.com
但这还没完，研究者们还在发展“仪器无关的量子密钥分发”（DI-QKD，是device independent quantum key distribution的缩写），跟前面那个MDI-QKD相比，少了一个M，测量。这就更不可思议了，我的所有仪器都交给你捣鬼，我居然都不怕，——简直是逆天啊！ 6park.com
目前的发展状况是，MDI-QKD的实验已经成功了，下一步是提高成码率的问题。DI-QKD还没有完整的实验验证，因为难度非常大，而且学术界普遍认为它的实用价值不高。为什么呢？好比我还是拿着把小手枪，对方却连火箭筒都不满足了，拿着个原子弹过来了，这也太夸张了吧！要不要这么偏执狂啊！虽然我允许你作弊，但作弊也要按照基本法啊！ 6park.com
讲这些是为了让大家明白，量子密码术的研究者是在考虑什么范畴的问题。大家可以想想，对传统密码设备如何抵御物理攻击，有这样的研究吗？没有。因为量子密码对物理攻击的抵抗能力，是有物理原理作指导向上提升的，而传统密码没有物理原理指导，不知该向哪里努力。 6park.com
上面讲的MDI-QKD和DI-QKD并不是这个领域里全部的重要成果，至少还有一个重要成果值得介绍，就是激光光源的“诱骗态协议”（decoy-state protocol），这是用来对抗“光子数分离攻击”（photon number splitting attack）的。中国理论物理学家王向斌、马雄峰和实验物理学家潘建伟等人，对诱骗态协议有重要贡献。由于篇幅所限，在这里我们不能详细解释诱骗态协议，只能告诉大家，这是一个非常有智力含量的成果。想了解更多的读者，可以去看我的文章《你完全可以理解量子信息》。 6park.com
大家看到了吧，世界上最热衷于给量子密码寻找物理攻击方法的是谁？就是量子密码的研究者，例如前面提到的马卡洛夫。矛和盾是一体，他们想到的矛和盾，都远远超出普通人的想象。 6park.com
因此，用游戏的语言总结一下：量子密码的数学抗性是100%，物理抗性还没有达到100%，但也已经相当高了。开玩笑地说，这可以叫做“魔武双修”。无论是数学抗性还是物理抗性，量子密码都高于传统密码。 6park.com
我们最后需要强调一下，我们当然希望把量子密码的物理抗性提高到100%，但量子密码并不是只有在实现这个最终目标之后才有价值。在实现最终目标之前，量子密码就已经很有价值了。如果你认为“没有达到极致就是垃圾”，那就陷入思维误区了。 6park.com
量子密码的数学抗性达到了100%，这本身就是一个重大的优点。而且，量子密码还有希望把物理抗性提高到100%，这也是一个重大的优点。能做到这些，都是因为量子密码术基于的是物理规律，而不是数学难题。思路的转换带来境界的提升，这是值得我们深入思考的。 6park.com
五、金贤敏研究组的工作 6park.com
了解了以上的框架，我们就可以理解金贤敏研究组这篇arXiv文稿的工作了。这是一个正常的研究，提出了一种新的物理攻击方法，叫做“注入锁定”。 6park.com
这个词是什么意思呢？就是两个振子如果耦合在一起，而且最初频率相差不远，那么它们的频率就会逐渐变得相同。这个现象最初是荷兰物理学家、摆钟的发明者、光学的创始人之一惠更斯（Christiaan Huygens，1629 - 1695）发现的，他注意到，挂在同一块板上的两个摆会逐渐变得同步。 6park.com
金贤敏研究组提出，用一束激光注入到量子密钥分发的光源中，试探它在什么时候发生了注入锁定，就可以知道光源在发送什么状态的光子，最终就可以 6park.com
金贤敏等人搭建了一个原型的量子密钥分发体系，然后用注入锁定的方法，以60.0%的成功率偷到了密钥。 6park.com
在这个层面上，这个研究是有价值的。但是，媒体胡乱发挥，把这件事描述成量子通信立了个不可破解的flag然后被打脸，就大错特错了。 6park.com
第一，量子密码的不可破解说的是不可能被数学手段破解，而不是不可能被任何手段破解。 6park.com
第二，金贤敏等人的目的，就是把量子密码的物理抗性进一步提升。他们的声明，标题就说得很清楚，《攻击是为了让量子密码更加安全》。炒作的媒体完全误解了金贤敏等人的基本出发点。 6park.com
第三，金贤敏等人攻击的，是原型的、没有防护的量子密钥分发光路，不是在实用中的设备。他们在文章中就指出了，一个非常直截了当的防御手段就是光隔离器。 6park.com
我们来解释一下，隔离器的作用是让光只能从一个方向通过，从反方向通过的光会受到极大的衰减。为了抑制反射光对光路的干扰，隔离器是一种常用的器件。正向光与反向光的功率之商的常用对数乘以10，就是隔离的分贝（dB）数。例如10 dB的隔离，就意味着反向光的功率是正向光的1/10。 6park.com
金贤敏等人在没有加隔离的情况下，测得攻击的成功率是60.0%。然后加了1 dB和3 dB的隔离，测得攻击成功率下降到了44.0%和36.1%。他们说，这仍然是很高的成功率。 6park.com
是的，这完全正确。但实际上，现有的商用量子通信设备中的隔离度一般是100 dB，这意味着反向光的功率是正向光的100亿分之一。用注入锁定来破解这样的系统，激光功率需要达到1千瓦。 6park.com
这是个什么概念呢？我参观过生产激光器的企业，他们现场表演了激光切割金属，制作铭牌、书画等等，他们用的激光就是1千瓦的量级。也就是说，这么高功率的注入激光，已经相当于激光武器了。你会看到设备被切割开，整个系统被毁掉，但这并不是窃密。 6park.com
我们在前面说过，我们讨论的是窃密，不是抢劫。没有被发现的物理攻击，才叫做成功的物理攻击。如果看到有这么强的激光在照射你的仪器，你都茫然不觉，这心得大到什么程度？这合理吗？ 6park.com
还是那句话：作弊也要按照基本法啊！ 6park.com
因此，金贤敏等人这篇文稿，只是提供了一种研究思路，对现有的量子保密通信系统并没有构成现实威胁。相当于证明了，如果你家没装防盗门，我就很容易破门而入。这话很正确，但是你家已经装了防盗门。 6park.com
有些人急吼吼地质问，京沪干线的设备是不是要更换？增加的成本谁来出？责任谁来负？这都是没搞清楚基本状况。 6park.com
还有些人借此机会，又在鼓吹量子密码无用论。相信看完这篇文章的读者，已经明白这种说法的荒谬之处了。 6park.com
让我们重新回想一下前面提到的问题： 6park.com
如果你是美国的决策者，看到中国发展了量子密码，让自己的数学破解能力无用武之地，你会怎么做呢？你会不会派人去散布舆论说，量子密码没有用处，忽悠中国自己把量子密码体系废掉？ 6park.com
六、结语 6park.com
这次事件，在科学界内部很快就形成了共识：纯粹是一场媒体知识水平低下还要博眼球，炒作出来的闹剧。 6park.com
这次炒作的始作俑者MIT技术评论和深科技，是国内外相当著名的科技媒体，我以前也看过它们的不少好文章。这次却表现得如此糟糕，为了搞个大新闻，去乱扯自己不懂的东西，实在令人深感遗憾。 6park.com
希望这两家媒体以及所有有类似毛病的媒体，都从中吸取教训，好好提升编辑的专业水平。毕竟，科技报道不是明星八卦，还是要以实事求是作为基本价值的。 6park.com
还有一点，是想对我的一些读者说的。他们对科技新闻充满兴趣，但拿了太多巨细无遗的问题来问我，一会问一句“这篇文章的这句话对不对”，一会问一句“那篇文章的那句话对不对”，甚至“这个读者评论对不对”，几乎是把整篇文章连带读者评论都复制一遍来问我了。 6park.com
有热情当然很好，但我实在顾不上回答这么多问题。更重要的是，读者朋友们应该想清楚，这不是高效率的学习方法。请不要问我那么多细节问题，因为正确的道路只有一条，错误的道路却有无限条，再贴心的FAQ也不可能回答完所有各种匪夷所思的问题。 6park.com
真正高效的学习方法是什么？如果你真的想对一个领域达到深入了解，就请去拿起教科书从头研读。你的目标应该和你的努力相匹配。不要指望通过问人能获得细节级别的了解，那样只能把别人累死，你也不可能真正搞懂。 6park.com
说到底，就是要相信自己，相信自己的学习能力、理解能力。你对科学的爱好是建立在你自己能理解的基础上的，而不是建立在听某个权威的基础上。如果这个权威不在了，难道你就不懂科学了？ 6park.com
自己努力地去学习科学，理解科学，就是这个时代最需要的品质。我希望把这句话送给媒体的编辑，送给热心的读者，送给我们大家。