量子通信項(xiàng)目要落地？不現(xiàn)實(shí)！

之前我們分析過(guò)量子計(jì)算機(jī)最新進(jìn)展，得出結(jié)論量子通信項(xiàng)目要落地，其實(shí)是不現(xiàn)實(shí)的?，F(xiàn)在我們?cè)購(gòu)募夹g(shù)上分析看看。

首先介紹一下現(xiàn)代通信網(wǎng)絡(luò)的基本工作原理。2臺(tái)電腦相互傳輸數(shù)據(jù)，需要在它們之間建立一條通信線路，見(jiàn)圖1。如果5臺(tái)電腦相互傳輸數(shù)據(jù)，就需要在它們兩兩之間都建立一條通信線路，總計(jì)得建10條線路，見(jiàn)圖2。如果有N個(gè)電腦相互之間要傳輸數(shù)據(jù)，那么需要建多少條通信線路呢？這在數(shù)學(xué)上稱為組合問(wèn)題，總計(jì)通信線路數(shù)為：N＊（N－1）／2 。當(dāng)N為1萬(wàn)時(shí)，需要連接的線路總數(shù)約為5千萬(wàn)條。而今日的互聯(lián)網(wǎng)上，電腦、手機(jī)和各種數(shù)字設(shè)備達(dá)幾十億臺(tái)之多，用圖2所示的兩兩相聯(lián)的辦法絕對(duì)行不通。

為了解決大量電腦相互之間通信的聯(lián)接問(wèn)題，就必須引入各種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。例如圖3的星形網(wǎng)絡(luò)，就能把5臺(tái)電腦相互聯(lián)接起來(lái)，把所需通信線路總數(shù)從10條減少到5條，而且把每臺(tái)電腦的連網(wǎng)接口減為1個(gè)。這種星形網(wǎng)絡(luò)在減少通信線路的同時(shí)卻增加了一個(gè)網(wǎng)絡(luò)沒(méi)備，這就是位于圖3中間的數(shù)據(jù)交換機(jī)或者是路由器。當(dāng)連接設(shè)備很多，相互距離又遠(yuǎn)時(shí)，增加網(wǎng)絡(luò)設(shè)備減少連接線路總數(shù)是十分必要的。

進(jìn)一步我們可以把兩個(gè)相距遙遠(yuǎn)的星形網(wǎng)絡(luò)用一條通信線路把它們連接起來(lái)，讓它們之間任何兩臺(tái)電腦之間可以傳輸數(shù)據(jù)，見(jiàn)圖4。再進(jìn)一步，互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)供應(yīng)商用4條通信線路和一臺(tái)路由器把4個(gè)星形的局域網(wǎng)絡(luò)連接成互聯(lián)網(wǎng)的一部分，在這個(gè)網(wǎng)絡(luò)上任何兩臺(tái)電腦之間都可以相互傳輸數(shù)據(jù)，見(jiàn)圖5。

在連接成千上萬(wàn)臺(tái)電腦的具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的互聯(lián)網(wǎng)上，怎樣保證每臺(tái)電腦把數(shù)據(jù)正確無(wú)誤的傳送到目標(biāo)電腦，又如何讓大量數(shù)據(jù)在傳輸時(shí)避免擁堵沖突，高效安全地共享連接線路，其中的關(guān)鍵就是釆用了分組交換技術(shù)和TCP／IP網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議。電腦之間通信的數(shù)據(jù)都是分成一個(gè)個(gè)數(shù)據(jù)包，這些數(shù)據(jù)包中又添加了發(fā)送電腦和終點(diǎn)電腦的地址信息。這些數(shù)據(jù)包是由0、1組成的一連串電訊號(hào)，它們?cè)诨ヂ?lián)網(wǎng)上被高度自動(dòng)化的交換機(jī)、路由器進(jìn)行識(shí)別和處理，一路接力傳遞，被絲毫無(wú)誤地送達(dá)目的地。

今日互聯(lián)網(wǎng)成功的關(guān)鍵就是TCP／IP網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議，以及執(zhí)行該協(xié)議的互聯(lián)網(wǎng)上成千上萬(wàn)的交換器、路由器等電子設(shè)備。互聯(lián)網(wǎng)上數(shù)據(jù)傳輸時(shí)有4大特點(diǎn)：1）數(shù)據(jù)被切割成許多數(shù)據(jù)包，這些數(shù)據(jù)包如同郵件包裹一樣在互聯(lián)網(wǎng)上傳遞；2）每組數(shù)據(jù)包都自帶地址信息；3）互聯(lián)網(wǎng)的路由器、交換機(jī)等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備就像郵局一樣，把帶有地址信息的數(shù)據(jù)包通過(guò)一站站的接力傳遞，最后把數(shù)據(jù)包送達(dá)目的地（即目標(biāo)電腦）；4）數(shù)據(jù)包在互聯(lián)網(wǎng)上傳輸時(shí)見(jiàn)縫插針、錯(cuò)了重發(fā)，傳輸路徑是完全不確定的。

互聯(lián)網(wǎng)的生存和發(fā)展的基石就是互聯(lián)網(wǎng)上眾多的路由器、交換機(jī)和指揮這些網(wǎng)絡(luò)設(shè)備協(xié)同工作的TCP／IP網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議。沒(méi)有這些網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和通訊協(xié)議，電腦之間要互相通信就只能在它們兩兩之間都拉一根傳輸線，就像上面圖2的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。最后城市上空必然會(huì)產(chǎn)生圖6的效果。當(dāng)電腦等數(shù)字終端設(shè)備的總數(shù)增加時(shí)，這種方案根本就是走頭無(wú)路！而所謂的“量子通信”就是要重走這條老路、死路。

“量子通信”的量子密鑰分發(fā)協(xié)議（無(wú)論是BB84或其它各種新協(xié)議）都是一種端到端的協(xié)議，它的信息流是無(wú)法分割成一個(gè)個(gè)數(shù)據(jù)包的。而且承載這些信息的也不是傳統(tǒng)的電訊號(hào)，它們完全無(wú)法接受互聯(lián)網(wǎng)上的路由器和交換機(jī)的處理。因而量子密鑰分發(fā)與今日的互聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)水火不容，“量子通信”要走入千家萬(wàn)戶只能再次在城市上空或地下構(gòu)筑圖6這樣可怕的蜘蛛網(wǎng)。

為了避免蜘蛛網(wǎng)的尷尬，“量子通信”要組網(wǎng)只有兩條路線可走，可是它們都是崎嶇坎坷的羊腸小路。

第一條路線：

使用傳統(tǒng)的電子技術(shù)構(gòu)筑專用的路由器、交換機(jī)等組網(wǎng)設(shè)備，量子密鑰每到一個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)就轉(zhuǎn)化為電訊號(hào)接受這些專用組網(wǎng)設(shè)備的轉(zhuǎn)駁處理。從技術(shù)層面來(lái)看，這與目前的京滬量子通信干線上的可信任中繼站是一個(gè)層次的。因?yàn)榱孔用荑€在網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)駁過(guò)程中被多次反復(fù)轉(zhuǎn)化成傳統(tǒng)電訊號(hào)，密鑰在傳輸過(guò)程一路裸跑，這就必須在網(wǎng)絡(luò)的各個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)上實(shí)行“物理隔離”。

何謂“物理隔離”？這意味著所有這些專用網(wǎng)絡(luò)設(shè)備必須日夜24小時(shí)守衛(wèi)不讓任何人接觸。這就必然引起另外一系列的安全隱患：1）如何保證這支守衛(wèi)團(tuán)隊(duì)中每個(gè)成員的絕對(duì)可靠和忠誠(chéng)？2）如果使用遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，那么這些遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的通信安全又用什么方法來(lái)保證？難道再用量子通信來(lái)保護(hù)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)？這還有完沒(méi)完？3）如何保證這些專用網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的設(shè)計(jì)、制造和維護(hù)人員的忠誠(chéng)可靠？什么樣的公司才能提供絕對(duì)安全可靠的設(shè)備和產(chǎn)品呢？

第三個(gè)問(wèn)題實(shí)際上是無(wú)解的。因?yàn)閷Ｓ镁W(wǎng)絡(luò)設(shè)備制造過(guò)程中一定會(huì)牽涉眾多的零部件供應(yīng)商和集成商，誰(shuí)也不能保證在最后的產(chǎn)品中不存在有意或無(wú)意中生成的各種安全漏洞和黑客后門通道！建設(shè)者們自己認(rèn)為這些專用網(wǎng)絡(luò)設(shè)備是“可信任的”當(dāng)然也可以，問(wèn)題是怎樣讓別人也認(rèn)同你，特別那些追求絕對(duì)機(jī)密的特殊用戶憑什么信任你。請(qǐng)注意這里用的全是傳統(tǒng)電子設(shè)備，這與量子物理已經(jīng)毫無(wú)關(guān)系。

傳統(tǒng)的密碼系統(tǒng)的觀念卻正好相反，傳統(tǒng)密碼系統(tǒng)在設(shè)計(jì)布局時(shí)就立足于這樣一點(diǎn)上：不能信任任何人。通信系統(tǒng)的任何設(shè)備、任何協(xié)議規(guī)約、任何軟件全部是公開透明的，其中也包括加密解密的算法，也不會(huì)那么多的“物理隔離”。通信雙方只要持有共同的密鑰，就能保證雙方通信的高度安全。發(fā)送的文本經(jīng)密鑰加密后引成的密文可以在任何通信設(shè)備和線路上傳輸，密文容許被任何人收集、復(fù)制和分析，愛(ài)怎么折騰都可以，但是只有掌握密鑰的接收者才能把密文解密得到明文文本。很顯然，保護(hù)密鑰要比保護(hù)整個(gè)通信系統(tǒng)（其中包括許多的中繼站、路由器和交換機(jī)）要可靠和可行得多。

經(jīng)典密碼系統(tǒng)與目前建設(shè)的“量子通信”工程的本質(zhì)差別不在技術(shù)層面上，而在總體的布局和思維上。經(jīng)典密碼系統(tǒng)的出發(fā)點(diǎn)是不信任任何人，而在建的“量子通信”工程必須要依賴和信任許多人！通過(guò)這樣的分析對(duì)比，我們可以清楚地認(rèn)識(shí)到第一條路線根本就是一條死胡同，它作為過(guò)渡方案都是不合格的。

第二條路線：

研制量子路由器、量子交換機(jī)等一系列組網(wǎng)的設(shè)備。保證量子密鑰在網(wǎng)絡(luò)上一路傳駁無(wú)需轉(zhuǎn)換成傳統(tǒng)電訊號(hào)。這種方案在紙上說(shuō)說(shuō)當(dāng)然可以，但目前工程實(shí)施的基礎(chǔ)根本不存在。這個(gè)道理其實(shí)是不難理解的。傳統(tǒng)的路由器、交換機(jī)其實(shí)就是專用的電子計(jì)算機(jī)。同理，量子路由器、量子交換機(jī)一定就是專用的量子計(jì)算機(jī)。因?yàn)檫@些專用的設(shè)備必須對(duì)存儲(chǔ)在多個(gè)量子位（Qbit）上的量子信息作快速精確的控制和測(cè)量，還要把輸出結(jié)果送往下一站。從本質(zhì)上看，這些量子網(wǎng)絡(luò)設(shè)備就是量子計(jì)算機(jī)，相比通用的量子計(jì)算機(jī)，它可能在算法上比較固定單一，但在精度、穩(wěn)定度和處理速度上可能會(huì)有更高更多的要求。

目前量子計(jì)算機(jī)還只存在書本上和實(shí)驗(yàn)室里，建成可以實(shí)用的量子計(jì)算機(jī)還有漫長(zhǎng)的道路要走。因?yàn)閱蝹€(gè)原子或光子的量子狀態(tài)非常的敏感和脆弱，而這正是量子密鑰分發(fā)理論上有很高安全性的重要原因，因?yàn)閷?duì)量子狀態(tài)的竊取、觀察、復(fù)制的任何企圖都會(huì)引起量子狀態(tài)的改變而被察覺(jué)。但是這必然導(dǎo)致對(duì)它們正常的控制和測(cè)量也變得十分的困難。更讓人糾結(jié)的是這種量子狀態(tài)會(huì)自動(dòng)消失，又稱量子退相干。為了保持量子狀態(tài)，科學(xué)家們采用糾錯(cuò)技術(shù)，使用眾多的物理量子位來(lái)構(gòu)造一個(gè)邏輯量子位，確保量子狀態(tài)的長(zhǎng)期精確的維持。

目前能做到保持一毫秒左右量子狀態(tài)的一位邏輯量子位仍算很不錯(cuò)的結(jié)果了，制成真正可以實(shí)用的一位邏輯量子位還有很多工作要做。然后還要做多位的邏輯量子位，這以后才能構(gòu)建量子計(jì)算機(jī)。打個(gè)比喻，現(xiàn)在有點(diǎn)像19世紀(jì)末，連第一個(gè)可以實(shí)用的電子管還沒(méi)有做出來(lái)，當(dāng)然也就不具備制造大型通用電子計(jì)算機(jī)的可能。

“量子通信”和量子計(jì)算機(jī)的核心技術(shù)是相通的，它們本質(zhì)上都與量子狀態(tài)的制備、控制和測(cè)量技術(shù)密切相關(guān)。發(fā)展“量子通信”和量子計(jì)算機(jī)必須兩條腿走路，沒(méi)有量子計(jì)算機(jī)技術(shù)的長(zhǎng)足進(jìn)步，單方面建設(shè)“量子通信”網(wǎng)絡(luò)一定行不穩(wěn)走不遠(yuǎn)。

量子計(jì)算機(jī)的實(shí)用化、工程化是一個(gè)長(zhǎng)期艱巨的過(guò)程，這注定了近期內(nèi)“量子通信”沒(méi)有組網(wǎng)的可能性，除非采用上述第一條路線，引入許多“物理隔離”設(shè)備，從而導(dǎo)致比經(jīng)典公鑰密碼系統(tǒng)遠(yuǎn)為嚴(yán)重的安全隱患。

即使有一天量子計(jì)算機(jī)的技術(shù)問(wèn)題全部解決，也制造出了實(shí)用的量子路由器、量子交換機(jī)等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，但這還是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，更關(guān)鍵的是制定有效的量子通信網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，而這一步實(shí)際上是最困難的。量子網(wǎng)絡(luò)協(xié)議是“量子通信”工程化的重中之重，是“量子通信”的控制性工程，不跨越這個(gè)障礙，“量子通信”的工程化不具備可行性。

量子密碼的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議連書面的討論草案都沒(méi)有，現(xiàn)在談?wù)?ldquo;量子通信”的組網(wǎng)設(shè)備為時(shí)過(guò)早。本文引入了量子路由器、量子交換機(jī)，可能還應(yīng)包括量子中繼站等等組網(wǎng)設(shè)備只是為了討論的方便。這些設(shè)備目前根本就不存在，將來(lái)可能也會(huì)有變化，也有可能根本不會(huì)出現(xiàn)。