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1 # 物業工程
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2 # 蓬萊居士
量子科學因為他突破了人類現有的認知,因而用現有的知識去看他,肯定會遭到質疑,這涉及到世界到底是三維的還是四維的或多維的,由於現有的認知侷限於三維,超出了這個範疇就無法理解,很多自然現象,我們只知道表面,如萬有引力,我們都知道有,但為什麼有至今是個迷,量子之間能夠通迅,透過長期的科學實驗己經證明是存在的,在應用上也是可行的,雖然暫時解釋不了是什麼原理,我們不能因為不知道為什麼存在萬有引力,而質疑萬有引力的存在,在不遠的將來,隨著科學的發展,一定會發現其中的原理,人類就可以擺脫引力自由飛翔,也可以進入四維空間去相距億萬光年的其他星系旅遊。甚至穿越去未來和過去的世界,宇宙是複雜的,我們不能象瞎子一樣摸到大象的腿就確認大象是柱子。而質疑人家摸耳朵的說像扇子。
量子通訊從象牙塔走向工程化的征途上有以下三條難以跨越的鴻溝:
一)量子通訊技術困境之一:極低的成位元速率
理想單光子源價格太過昂貴,是BB84協議走向實用的不可承受之重。BB84的升級版“誘騙態量子金鑰分發”放棄了單光子方案改用微弱鐳射,但是金鑰的傳輸仍然依靠數量極其有限的光子,量子通訊過程中有效訊號太弱的本質沒有什麼改變。
眾所周知,任何通訊環境中都有噪聲汙染。在具有噪聲環境中保證訊號傳遞的準確無誤的對策很簡單,要想在嘈雜的酒吧裡與人交談,無非就是“放開嗓門加大音量”或是“放慢語速不斷重複”這兩個辦法,研究資料最大傳輸速率的夏農定律講的就是這個道理。在量子金鑰分發中量子訊號太弱,所以“放慢語速不斷重複”就成了唯一可選項,用專業術語來描述,就是QKD的成位元速率極低。
金鑰分發的成位元速率是單位時間內生成有效的共享金鑰總位數。成位元速率是金鑰分發最重要的技術指標,它反應了金鑰分發的效率,也決定了該技術的應用範圍。目前QKD在百公里距離上的成位元速率僅為Kbps量級,而目前光纖資料通訊速率可達Tbps量級,兩者相差了9個數量級,也就是十億倍!
而所謂絕對安全的“量子通訊“又必須要求“金鑰與明文等長”和“一次一密”,也就是說QKD的成位元速率必須不低於光纖的資料通訊速率。由此可知,蝸牛般低速的成位元速率使得量子通訊要為現代化通訊保駕護航永遠只能是不切實際的幻想。如果強制使用量子通訊,其結果必然把目前的通訊速度至少降低千萬倍!
二)量子通訊技術困境之二:不能與網際網路相容
QKD的基礎是美國科學家在1984年制定的BB84協議,BB84是前網際網路時代留下的技術活化石。這種點到點的金鑰分發技術要求在通訊雙方之間建立一條被雙方獨佔的直接的物理通路,這種通訊方式只能使用電路交換協議(Circuit Switching)。電路交換協議與分組交換協議(Packet Switching )從基礎原理上水火不容,而分組交換協議正是構建現代網際網路的基礎。這就從根本上斷絕了QKD組成現代通訊網路與網際網路相容的可能性,它為網際網路通訊安全提供有效的服務也就無從談起。這是京滬量子通訊幹線工程至今未有廣泛應用的一個根本原因。
三)量子通訊技術困境之三:極不安全的可信中繼站
由於QKD的光子帶有量子特性,所以在QKD的量子通道中不能使用放大器,這就決定了QKD的最大有效距離不會超過百公里。遠端QKD工程只能使用可信中繼站技術,金鑰在每個可信中繼站轉換成不加密的電訊號,一站又一站接力傳遞至遠方。京滬量子通訊幹線就在沿線設立了三十多個可信中繼站,中繼站之間距離約為60公里。
金鑰在兩個中繼站之間是以量子狀態傳遞的,中間竊聽可以被發現,但是金鑰在每個可信中繼站是以傳統電訊號的明文格式存在的,而這些可信中繼站對金鑰進行處理存貯的計算機又必須聯網的,QKD竊聽必被察覺的原理不適用任何一個可信中繼站內部,這就給QKD工程帶來極為嚴重的安全隱患。使用衛星QKD技術尚在實驗階段,事實上它也不能跨越“最後一公里困境”,本質上還是被卡在可信中繼技術的死穴裡。
傳統加密通訊系統中,通道包括光纖、中繼器、路由器、交換機、防火牆等,資訊在這些地方都是以密文方式傳送,安全是有保障的。但是量子通訊的可信中繼站其實已經不只是單純的通道了,由於金鑰以明文形式出現,使得每個中繼站變成了信源、信宿。傳統京滬通訊光纜就是一個完整單一的通道,加密生成的密文不怕被竊取,但是京滬量子通訊幹線這個2000多公里的通道切成30多段,每段的中繼站都是信源、信宿。這在原本很安全的系統中,人為添加了30多個極為嚴重的安全隱患!
攻擊傳統通訊幹線的唯一手段是破解密碼,而攻擊京滬量子通訊幹線除了破解密碼以外,京滬量子通訊幹線的30多個可信中繼站全都可能成為駭客的攻擊目標。駭客既可利用這些中繼站的計算機系統的安全漏洞發起攻擊,也可在中繼站的上百個工作人員中尋找突破口。駭客透過以上手段竊取金鑰比直接破解密碼要容易得多,所以京滬量子通訊幹線的安全性遠低於傳統加密通訊幹線。
這裡需要特別強調,量子通訊所面臨的這三大技術困境是被物理原理所決定了的,單靠工程技術的進步是極難取得實質性改變的。