為什么量子技術(shù)成氣候竟這樣難?
為什么量子技術(shù)成氣候竟這樣難?
作者:西安電子科技大學(xué)教授 王育民
成文時間:2018年7月13日
在人類社會的發(fā)展史上,20世紀(jì)40年代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和對人類社會所起的巨大推動作用很值得我們深入地刨析和總結(jié)。在這10年科學(xué)上誕生了“老三論”:系統(tǒng)論、控制論和信息論。[1]
系統(tǒng)論(Systems Theory)告訴我們,宇宙中的一切事物都是某種系統(tǒng),大到宇宙,復(fù)雜的如人腦,簡單的如照明的電燈。任何系統(tǒng)都是由物質(zhì)、能量和信息三大要素所組成,其中,物質(zhì)和能量是客觀存在的、有形的,信息是抽象的、無形的。物質(zhì)和能量是系統(tǒng)的“軀體”,信息是系統(tǒng)的“靈魂”。物質(zhì)屬實體范疇。信息要借助于物質(zhì)和能量才能產(chǎn)生、傳輸、存儲、處理和感知;物質(zhì)和能量要借助于信息來表述和控制。愛因斯坦的相對論證明了物質(zhì)和能量可以相互轉(zhuǎn)換,但迄今為止所有探索信息轉(zhuǎn)換為物質(zhì)或能量的研究都以失敗告終。
Wiener在他的名著“控制論”一書中曾明確指出“信息就是信息,不是物質(zhì)也不是能量?!盵1]。
這是第一次將“信息”的重要性提到了空前未有的高度,與物質(zhì)和能量并列的重要地位,這對于我們認識世界具有劃時代意義。
信息論(Information Theory)是由美國Claude E. Shannon(1916,4,30—2001,2,26)于1948年所創(chuàng)建的。
通信的目的就是要獲取所關(guān)注事件的信息。事件的發(fā)生是隨機的,具有不確定性,觀測和通信的目的就是要獲取信息,以解除其中不確定性。這是信息的最基本的屬性。Shannon和Wiener利用概率論給出了這唯一一類可以定量描述和用邏輯思維研究,并形成一門科學(xué)理論的信息——不確定性信息。
不確定性信息的量度被Shannon和Wiener定義為熵差。通信觀測所得到的信息量是減?。ɑ蚪獬┑牟淮_定性的量[1]。
信息量不是熵本身,而是熵差。熵是不確定性的量度,而熵差才是信息的量度。這點Wiener在《控制論》一書中已強調(diào)指出,Shannon的著作中則給出了全面的、嚴格的數(shù)學(xué)論證,成為一個完整的信息理論體系。
信息論萌發(fā)了整個通信領(lǐng)域的(數(shù)字化)革命,它是這一革命的理論基礎(chǔ),為通信工程師們的探索指明了方向,1946年的計算機、1947年晶體管的誕生和相應(yīng)信息技術(shù)的發(fā)展,則是這一革命的物質(zhì)基礎(chǔ)。
幾十年來,人類社會在數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化三大技術(shù)的強有力的推動下,逐步由工業(yè)化社會發(fā)展到信息化社會的新階段。在信息化社會中,人類不僅在物理空間中生存競爭,還要學(xué)會在新的虛擬數(shù)字空間(又稱賽伯空間——Cyberspace)中生存競爭。
控制論(Cybernetics)
控制論的創(chuàng)始人是美國數(shù)學(xué)家維納(Wiener, 1894,11,26-1964,3,18)。控制論是研究動物(包括人類)和機器內(nèi)部的控制與通信的一般規(guī)律的學(xué)科,著重于研究過程中的數(shù)學(xué)關(guān)系。綜合研究各類系統(tǒng)的控制、信息交換、反饋調(diào)節(jié)的科學(xué),是跨及人類工程學(xué)、控制工程學(xué)、通訊工程學(xué)、計算機工程學(xué)、一般生理學(xué)、神經(jīng)生理學(xué)、心理學(xué)、數(shù)學(xué)、邏輯學(xué)、社會學(xué)等眾多學(xué)科的交叉學(xué)科。
本文將論述如下5個問題:
為什么信息技術(shù)能成氣候并構(gòu)建了一個人類新的生存空間——信息空間;
2.為什么量子技術(shù)步履艱難,成不了氣候?
后量子密碼時代是個偽命題;
對信息空間中的信息戰(zhàn)要有足夠的警覺,切勿上對手的當(dāng);
保證網(wǎng)絡(luò)空間中信息安全的核心技術(shù)仍然是Shannon的編碼理論。
1. 為什么信息技術(shù)能成氣候并構(gòu)建了一個人類的新的生存空間——信息空間
我們在前言中已明確指出,信息和有形的物質(zhì)和能量不同,它是抽象的、無形的,是系統(tǒng)的“靈魂”。信息要借助于物質(zhì)和能量才能產(chǎn)生、傳輸、存儲、處理和感知;物質(zhì)和能量要借助于信息來表述和控制。
表示信息所需的物質(zhì)資源很有限,例如要表示1-bit的不確定信息只需要能顯示具有兩個不同狀態(tài)的實體資源就足夠了,一個硬幣的正反面、點頭或搖頭、語音“是”和“不是”等等,但這些還都是在物理空間中的示意方法。如果在信息空間中就可用0和1數(shù)字符號抽象地表示了。但要研究信息的產(chǎn)生、傳輸、存儲、處理和感知就需要借助于實體(聲、光、電等)信號,這就誕生了一門新的科學(xué)技術(shù)——信息科學(xué)技術(shù)。
不同于農(nóng)業(yè)、機械、能源等領(lǐng)域,在信息產(chǎn)業(yè)中廣泛存在著類似于摩爾定律的發(fā)展定律。
芯片發(fā)展中的摩爾定律(Moore’s Law):摩爾定律是由英特爾(Intel)創(chuàng)始人之一戈登?摩爾(Gordon Moore)于1965年提出來的。當(dāng)價格不變時,集成電路上可容納的元器件的數(shù)目,約每隔18-24個月翻番,相應(yīng)的成本減半,性能、功能相應(yīng)提升。這一發(fā)速度竟然持續(xù)了近半個世紀(jì)。
計算機領(lǐng)域的貝爾定律(Bell’s Law):如果保持計算能力不變,微處理器的價格和體積每18個月減少一半,大約每十年都會出現(xiàn)一類新的計算機,基于新的編程平臺、新的網(wǎng)絡(luò)和新的界面,產(chǎn)生新的應(yīng)用,建立一個新的產(chǎn)業(yè)。從六十年代的大型機,到七十年代的微型機,然后到八十年代的個人電腦,再到九十年代的網(wǎng)絡(luò)瀏覽器,然后是云計算、移動設(shè)備、物聯(lián)網(wǎng)等等,都是貝爾定律的表現(xiàn)。[2]
通信領(lǐng)域域的吉爾德定律(Gilder’s Law):吉爾德認為主干網(wǎng)的帶寬將每6個月增加1倍,比處理器的增長速度快得多。當(dāng)前,增加帶寬在技術(shù)上已無障礙,可充分滿足用戶的需求,移動互聯(lián)網(wǎng)的飛速發(fā)展已經(jīng)讓部分人率先體驗到了“永遠在線”的工作與生活方式。
通信領(lǐng)域域的麥特卡爾夫定律(Metcalfe’s Law):以太網(wǎng)的發(fā)明人鮑勃?麥特卡爾夫人為,網(wǎng)絡(luò)價值同網(wǎng)絡(luò)用戶數(shù)量的平方成正比,即N個連接能夠創(chuàng)造“N×N”的效益。N平方的效應(yīng)在Facebook和Twitter等社會化網(wǎng)絡(luò)上得到了完美的體現(xiàn);在中國,驗證這一定律的是新浪微博、騰訊微博和人人網(wǎng)——在這些網(wǎng)絡(luò)里,每經(jīng)過一次轉(zhuǎn)發(fā),N平方效應(yīng)的爆炸性力量就得到進一步增強。[3]
有著摩爾定律支持的信息技術(shù)表示1-bit信息所需的實體要多大?原則上,可用一個粒子,比如一個電子就夠了,但實際上我們還沒有找到如何能將1-bit的不確定信息載荷到單個量子上的技術(shù),當(dāng)前我們采用的技術(shù)都是由大量電子的群體,即電子技術(shù)完成的。但已經(jīng)做到晶體管的尺寸以nm計算的水平了,遠小于頭發(fā)的直徑。
所有信息技術(shù)的巨大成就,最根本的原因是由于信息不是實體,摩爾定律才可能存身于信息產(chǎn)業(yè)之中,才能成為發(fā)展最快的行業(yè)。
摩爾定律還能挺多久,業(yè)內(nèi)對此有很多爭論,認為28 nm的性價最高,有的主張7 nm是其界限,致力于芯片技術(shù)研究者在埋頭工作,據(jù)說已制作出1 nm芯片。致力于圖像處理的NVIDIA CEO黃仁勛,鼓吹以性能提升較快的GPU替代性能提升慢的CPU來維持摩爾定律的地位。[4]
2.為什么量子技術(shù)步履艱難,成不了氣候?
有關(guān)實體的技術(shù),如能源、機器制造、運載工具等的性能提高、成本降低、體積重量減小等都不是件容易的事。這類行業(yè)不存在摩爾定律,不可能像信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)那樣的速度來推動人類社會前進。在實體技術(shù)類中,發(fā)展量子技術(shù)可能是更為困難、代價更大的行業(yè)了。下面我們將全面進行論述。
有關(guān)量子、量子技術(shù)我們曾寫過幾篇評述,本文將引用一些有關(guān)結(jié)論,不再重復(fù)論述。[5-8]
量子不是信息,它屬于物質(zhì)能量的實體范疇。
量子技術(shù)需要超低溫環(huán)境提供,單量子生存的低溫條件代價太大,發(fā)展遠景要走向?qū)嵱煤苊烀!?/strong>
單量子上載荷Shannon和Wiener的不確定信息的基本技術(shù)尚未突破,單量子通信、單量子密碼通信和單量子數(shù)字計算機能否實現(xiàn),何時才能實現(xiàn)尚屬未知。
量子密鑰協(xié)商不是量子密碼,在密碼研究領(lǐng)域密鑰協(xié)商屬密鑰管理,是密鑰生成和分發(fā)的技術(shù)。
量子密鑰協(xié)商中的秘密是如何被隱匿的?
現(xiàn)有的量子密鑰協(xié)商技術(shù)主要有兩類,即:
⑴ BB-84協(xié)議,由美國IBM的Bennett和Brassard提出,基于量子不可克隆性。
最初接觸這個協(xié)議似覺它簡單、不難理解,并被它的保密性誘惑,以為找到了一種解決通信安全保密的新途徑。但實際實現(xiàn)起來就發(fā)現(xiàn),它有幾個難于構(gòu)建的問題。首先,要在極低溫條件下產(chǎn)生單個量子,才能保證量子信道的不可竄擾性。其次,需要借助于常規(guī)檢錯編碼技術(shù)實現(xiàn)保密增強,才能保證量子信道的信息泄露趨近于0。第三,量子信道的傳送距離有限,需要制作量子中繼器,在技術(shù)上尚待解決。能提供的密鑰量很低,遠不能滿足實際需求。更要命的是實現(xiàn)的成本太大。這正是美國早已放棄這一方案的原因。
⑵ EPR協(xié)議,利用量子糾纏特性。
量子糾纏(quantum entanglement)的本質(zhì)是兩個以上單量子具有狀態(tài)相同,因而所表示的信息一樣(數(shù)字化后就是比特,模擬量就是量子位、昆比特)。所以說,量子糾纏本質(zhì)就是信息糾纏。
利用量子糾纏實現(xiàn)密鑰協(xié)商協(xié)議,是由阿瑟?厄克特(Artur Ekert)于1991年提出,被稱為EPR-91協(xié)議。
要用量子糾纏特性實施密鑰協(xié)商,首先要制備兩個以上量子相互糾纏的族,只要其中的一個量子的態(tài)狀發(fā)生變化,族中的其它量子必有相應(yīng)的變化,不管它們之間的相距有多大。制備糾纏族需要一套復(fù)雜的激光系統(tǒng)和極低溫環(huán)境。量子糾纏態(tài)制備器件的保真度還存在很大問題,2010年加拿大的一個攻擊就是利用保真度低于80%。
其次,將糾纏族中的量子分送到不同的地點,如A、B兩端。這要經(jīng)由量子信道實施,這將因?qū)嶋H傳輸損耗造成距離受限,即使在自由空間傳送,距離較光纖要大些,但將受到光干擾而使有效工作時間很短。
第三,A、B兩端各自對糾纏量子進行隨機測量,然后選取測量方式相同的時候得到的結(jié)果作為密鑰,成功率是個大問題?!熬w一次可以制造6百萬對光子,但是地面上的兩個站點每秒只能探測到大約一對光子”[9]
由上面的論述可知,現(xiàn)有的量子密鑰協(xié)商技術(shù)都離不開經(jīng)典通信技術(shù)的支持,離開經(jīng)典通信技術(shù)就不可能實現(xiàn)量子密鑰協(xié)商。除此之外,它們的安全性還有待于深入研究,最重要的還是效率和成本太高,如“墨子號”量子實驗衛(wèi)星的造價為一億美元[9]。很難滿足實際需要。
3. 后量子密碼時代是個偽命題
從我們已清楚量子信息技術(shù)不僅成本過高、效率很低,更重要的是實現(xiàn)它的最關(guān)鍵的技術(shù)難關(guān),即如何將Shannon和Wiener的不確定信息載荷到單量子上尚未突破,而且對于能否和何時能突破目前還看不到曙光。至于人類是否能突破,不取決于我們主觀愿望,而由物質(zhì)的客觀性質(zhì)決定。因此,量子數(shù)字通信、單量子數(shù)字密碼技術(shù)、量子數(shù)字計算機技術(shù)都還遙遙無期。當(dāng)前所謂的量子計算機實際上都是將單個量子作為模擬器件運作的,如加拿大的D-wave量子計算裝置所用的是量子隧穿效應(yīng)。這類量子計算裝置與真正的通用量子數(shù)字計算機還有很大差距,還都只適用于一些特定的算法,如D-wave對退火優(yōu)化算法很有效。中國科學(xué)技術(shù)大等的十個超導(dǎo)量子位的處理器,所借助的是量子態(tài)的疊加性。
我們認為,在數(shù)字量子計算機和數(shù)字DNA計算機還都尚未問世條件下,談“后量子密碼時代”就是個偽命題[10]。但從密碼理論探索出發(fā),作一些研究還是有意義的。對于年輕人我還是建議,遠離量子密碼,將精力放在密碼學(xué)的主流問題上,打好基礎(chǔ),深入進去,做出貢獻。
4. 對信息空間中的信息戰(zhàn)要有足夠的警覺
切勿上對手的當(dāng)
我們在第2.節(jié)曾指出,美國最早構(gòu)建了兩種量子密鑰協(xié)商協(xié)議,又很快就放棄了。但對中國大搞量子通信技術(shù)卻大加贊賞,鼓勵你發(fā)表論文、搞量子試驗專線,發(fā)墨子號量子實驗衛(wèi)星……這是為什么?
信息空間是人類的第二生存空間,無聲的信息戰(zhàn)無時無刻都在進行著。它雖然無聲無煙,但激烈程度并不亞于物理空間中的戰(zhàn)斗。無論你的對手夸你,罵你,你都需要保持高度警惕,切勿上當(dāng)受騙!我們在信息戰(zhàn)中不只一次地吃過大虧的,應(yīng)當(dāng)引以為戒。時刻保持冷靜的頭腦,不沖動,不意氣用事,堅持走改革開放的正確道路,面向世界,增強實力,增長智慧,充滿信心,為建設(shè)人類的第二生存空間,做出我們中國人應(yīng)有的貢獻!
5. 保證網(wǎng)絡(luò)空間中信息安全的核心技術(shù)
仍然是Shannon的編碼理論
“為了慶賀量子論的發(fā)現(xiàn)100周年,我建議用一個標(biāo)題:‘量子論——我們的榮耀和慚愧’。為什么說榮耀?因為物理學(xué)所有分支的發(fā)展都有量子論的影子。為什么說慚愧?因為100年過去了,我們?nèi)匀徊恢懒孔踊膩碓??!边@是惠勒(J A Wheeler,1911-2008)在2000年12月給《Quantum Theory: A Graphic Guide》一書作者的信中講的話,很值得我們認真思索。
100多年了,人們耗盡心智所創(chuàng)建的量子論給人類社會帶來了哪些變化?我們在第2.節(jié)已曾指出過,在繁榮物理空間上量子技術(shù)沒有幫上太大的忙,在解決信息空間的安全上也不能指望量子信息技術(shù)。最可悲的就連量子化的來源,人類仍是一無所知,真是令人慚愧呀!
為什么?究竟是何種原因走到這種境地?是不是我們的世界觀出了問題?
我們?nèi)祟愓J知世界的思維方式有兩種,即邏輯思維和形象思維,我們需要分清形象思維和邏輯思維的認知結(jié)果的不同之處,特別是不能將個別人的主觀想象當(dāng)作大家都認可的結(jié)果??茖W(xué),特別是物理學(xué)研究,靈感、直覺是很重要的,但任何結(jié)論都必須經(jīng)受邏輯思維的檢驗和實驗的確證。
量子理論需要回歸到物理學(xué),而不是迷戀在信息、思維的迷途中。一些大談“量子思維”的人[11],不如去認真地去“思索量子”,用邏輯思維思索量子,會引向量子力學(xué),用形象思維思索量子就可能會引向量子玄學(xué)。努力提高量子檢測技術(shù)和完善量子的數(shù)學(xué)表述,進一步完善量子理論才是正道滄桑。
密碼學(xué)和網(wǎng)絡(luò)安全是科學(xué)問題,需要用邏輯思維來認知和解決。就是要回到Shannon的理論上來。不論是從事通信還是從事密碼或信息安全技術(shù)方面的工作,都應(yīng)當(dāng)認真研讀Shannon的兩篇經(jīng)典文獻,深入發(fā)掘他的一些思想,這將使我們不僅能學(xué)到一些有關(guān)信息論和密碼的知識,還可能會悟出一些深層的道理,這對于我們打好基礎(chǔ),并能有所創(chuàng)新會有很大幫助。[12]
致謝:深深感謝王潮、張衛(wèi)國二位教授,他們仔細閱讀了本文的初稿,提出了很有價值的改進意見。
參考文獻
王育民,報告集-16:信息論對社會信息化的作用(2017,1,5),《王育民教授自選文集稿》報告集篇。
袁嵐峰:中國科技現(xiàn)狀,2018年6月20日上海音樂廳演講稿 鳳凰網(wǎng) https://mp.weixin.qq.com/s/yePWsf-ez3sX7q9unjiDjw
網(wǎng)文:摩爾定律,貝爾定律,吉爾德定律,麥特卡爾夫定律,2017年04月24日 16:44:30。
GPU真的會取代CPU的位置,網(wǎng)文 2017-9-28,來源:超能網(wǎng) 作者:Axe斧娃。
王育民:困惑與質(zhì)疑 20100912(第九次中國科學(xué)論壇)
王育民:讀書筆記7. 量子力學(xué),量子玄學(xué)?
王育民,偶感錄-56:量子妄想曲(201705-09),《王育民教授自選文集稿》偶感錄篇。刊在《中國密碼學(xué)會通訊》(內(nèi)部刊物)2017年第4期(總第51期),pp.42-46。
王育民,偶感錄-61:受寵、受捧者戒——讀在兩會上的發(fā)言有感(201705-09), 《王育民教授自選文集稿》偶感錄篇。
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