為什么量子技術成氣候竟這樣難？

為什么量子技術成氣候竟這樣難？

作者：西安電子科技大學教授 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40年代科學技術的發(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。在這10年科學上誕生了“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)和能量可以相互轉換，但迄今為止所有探索信息轉換為物質(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)了整個通信領域的（數(shù)字化）革命，它是這一革命的理論基礎，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信息技術的發(fā)展，則是這一革命的物質(zhì)基礎。

幾十年來，人類社會在數(shù)字化、網(wǎng)絡化和智能化三大技術的強有力的推動下，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)學家維納(Wiener, 1894,11,26-1964,3,18)?？刂普撌茄芯縿游?包括人類)和機器內(nèi)部的控制與通信的一般規(guī)律的學科,著重于研究過程中的數(shù)學關系。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，是跨及人類工程學、控制工程學、通訊工程學、計算機工程學、一般生理學、神經(jīng)生理學、心理學、數(shù)學、邏輯學、社會學等眾多學科的交叉學科。

本文將論述如下5個問題：

1. 為什么信息技術能成氣候并構建了一個人類新的生存空間——信息空間；

2. 2.為什么量子技術步履艱難，成不了氣候?

3. 后量子密碼時代是個偽命題；

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；

5. 保證網(wǎng)絡空間中信息安全的核心技術仍然是Shannon的編碼理論。

1. 為什么信息技術能成氣候并構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技術——信息科學技術。

不同于農(nóng)業(yè)、機械、能源等領域，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，相應的成本減半，性能、功能相應提升。這一發(fā)速度竟然持續(xù)了近半個世紀。

計算機領域的貝爾定律(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)絡和新的界面，產(chǎn)生新的應用，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)絡瀏覽器，然后是云計算、移動設備、物聯(lián)網(wǎng)等等，都是貝爾定律的表現(xiàn)。[2]

通信領域域的吉爾德定律(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。當前，增加帶寬在技術上已無障礙，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)絡價值同網(wǎng)絡用戶數(shù)量的平方成正比，即N個連接能夠創(chuàng)造“N×N”的效益。N平方的效應在Facebook和Twitter等社會化網(wǎng)絡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)絡里，每經(jīng)過一次轉發(fā)，N平方效應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，當前我們采用的技術都是由大量電子的群體，即電子技術完成的。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.為什么量子技術步履艱難，成不了氣候?

有關實體的技術，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，不可能像信息技術產(chǎn)業(yè)那樣的速度來推動人類社會前進。在實體技術類中，發(fā)展量子技術可能是更為困難、代價更大的行業(yè)了。下面我們將全面進行論述。

有關量子、量子技術我們曾寫過幾篇評述，本文將引用一些有關結論，不再重復論述。[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，在密碼研究領域密鑰協(xié)商屬密鑰管理，是密鑰生成和分發(fā)的技術。

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果作為密鑰，成功率是個大問題。“晶體一次可以制造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)商技術都離不開經(jīng)典通信技術的支持，離開經(jīng)典通信技術就不可能實現(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不僅成本過高、效率很低，更重要的是實現(xiàn)它的最關鍵的技術難關，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、量子數(shù)字計算機技術都還遙遙無期。當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。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。中國科學技術大等的十個超導量子位的處理器，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，將精力放在密碼學的主流問題上，打好基礎，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

我們在第2.節(jié)曾指出，美國最早構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，切勿上當受騙！我們在信息戰(zhàn)中不只一次地吃過大虧的，應當引以為戒。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，為建設人類的第二生存空間，做出我們中國人應有的貢獻！

5. 保證網(wǎng)絡空間中信息安全的核心技術

仍然是Shannon的編碼理論

“為了慶賀量子論的發(fā)現(xiàn)100周年，我建議用一個標題：‘量子論——我們的榮耀和慚愧’。為什么說榮耀？因為物理學所有分支的發(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。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果的不同之處，特別是不能將個別人的主觀想象當作大家都認可的結果?？茖W，特別是物理學研究，靈感、直覺是很重要的，但任何結論都必須經(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，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，用形象思維思索量子就可能會引向量子玄學。努力提高量子檢測技術和完善量子的數(shù)學表述，進一步完善量子理論才是正道滄桑。

密碼學和網(wǎng)絡安全是科學問題，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方面的工作，都應當認真研讀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到一些有關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，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

1. 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。

2. 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

3. 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。

4. 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。

5. 王育民：困惑與質(zhì)疑 20100912（第九次中國科學論壇）

6. 王育民：讀書筆記7. 量子力學，量子玄學？

7. 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?？凇吨袊艽a學會通訊》（內(nèi)部刊物）2017年第4期（總第51期），pp.42-46。

8. 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。

9. 中國墨子號衛(wèi)星首次實現(xiàn)1200公里量子糾纏

10. 楊波、禹勇：后量子密碼學介紹朱清時關于物理學與佛教的演講

11. 朱清時關于物理學與佛教的演講

12. Shannon與現(xiàn)代密碼學（2009，6，6）