为什么量子技术成气候竟这样难？
作者：西安电子科技大学教授 王育民
成文时间：2018年7月13日
在人类社会的发展史上，20世纪40年代科学技术的发展和对人类社会所起的巨大推动作用很值得我们深入地刨析和总结。在这10年科学上诞生了“老三论”：系统论、控制论和信息论。[1]
系统论（Systems Theory）告诉我们，宇宙中的一切事物都是某种系统，大到宇宙，复杂的如人脑，简单的如照明的电灯。任何系统都是由物质、能量和信息三大要素所组成，其中，物质和能量是客观存在的、有形的，信息是抽象的、无形的。物质和能量是系统的“躯体”，信息是系统的“灵魂”。物质属实体范畴。信息要借助于物质和能量才能产生、传输、存储、处理和感知；物质和能量要借助于信息来表述和控制。爱因斯坦的相对论证明了物质和能量可以相互转换，但迄今为止所有探索信息转换为物质或能量的研究都以失败告终。
Wiener在他的名著“控制论”一书中曾明确指出“信息就是信息，不是物质也不是能量。”[1]。
这是第一次将“信息”的重要性提到了空前未有的高度，与物质和能量并列的重要地位，这对于我们认识世界具有划时代意义。
信息论（Information Theory）是由美国Claude E. Shannon（1916,4,30—2001,2,26）于1948年所创建的。
通信的目的就是要获取所关注事件的信息。事件的发生是随机的，具有不确定性，观测和通信的目的就是要获取信息，以解除其中不确定性。这是信息的最基本的属性。Shannon和Wiener利用概率论给出了这唯一一类可以定量描述和用逻辑思维研究，并形成一门科学理论的信息——不确定性信息。
不确定性信息的量度被Shannon和Wiener定义为熵差。通信观测所得到的信息量是减小（或解除）的不确定性的量[1]。
信息量不是熵本身，而是熵差。熵是不确定性的量度，而熵差才是信息的量度。这点Wiener在《控制论》一书中已强调指出，Shannon的著作中则给出了全面的、严格的数学论证，成为一个完整的信息理论体系。
信息论萌发了整个通信领域的（数字化）革命，它是这一革命的理论基础，为通信工程师们的探索指明了方向，1946年的计算机、1947年晶体管的诞生和相应信息技术的发展，则是这一革命的物质基础。
几十年来，人类社会在数字化、网络化和智能化三大技术的强有力的推动下，逐步由工业化社会发展到信息化社会的新阶段。在信息化社会中，人类不仅在物理空间中生存竞争，还要学会在新的虚拟数字空间（又称赛伯空间——Cyberspace）中生存竞争。
控制论（Cybernetics）
控制论的创始人是美国数学家维纳(Wiener, 1894,11,26-1964,3,18)。控制论是研究动物(包括人类)和机器内部的控制与通信的一般规律的学科,着重于研究过程中的数学关系。综合研究各类系统的控制、信息交换、反馈调节的科学，是跨及人类工程学、控制工程学、通讯工程学、计算机工程学、一般生理学、神经生理学、心理学、数学、逻辑学、社会学等众多学科的交叉学科。
本文将论述如下5个问题：
为什么信息技术能成气候并构建了一个人类新的生存空间——信息空间；
2.为什么量子技术步履艰难，成不了气候?
后量子密码时代是个伪命题；
对信息空间中的信息战要有足够的警觉,切勿上对手的当；
保证网络空间中信息安全的核心技术仍然是Shannon的编码理论。
1. 为什么信息技术能成气候并构建了一个人类的新的生存空间——信息空间
我们在前言中已明确指出，信息和有形的物质和能量不同，它是抽象的、无形的，是系统的“灵魂”。信息要借助于物质和能量才能产生、传输、存储、处理和感知；物质和能量要借助于信息来表述和控制。
表示信息所需的物质资源很有限，例如要表示1-bit的不确定信息只需要能显示具有两个不同状态的实体资源就足够了，一个硬币的正反面、点头或摇头、语音“是”和“不是”等等，但这些还都是在物理空间中的示意方法。如果在信息空间中就可用0和1数字符号抽象地表示了。但要研究信息的产生、传输、存储、处理和感知就需要借助于实体（声、光、电等）信号，这就诞生了一门新的科学技术——信息科学技术。
不同于农业、机械、能源等领域，在信息产业中广泛存在着类似于摩尔定律的发展定律。
芯片发展中的摩尔定律(Moore’s Law)：摩尔定律是由英特尔（Intel）创始人之一戈登•摩尔（Gordon Moore）于1965年提出来的。当价格不变时，集成电路上可容纳的元器件的数目，约每隔18-24个月翻番，相应的成本减半，性能、功能相应提升。这一发速度竟然持续了近半个世纪。
计算机领域的贝尔定律(Bell’s Law)：如果保持计算能力不变，微处理器的价格和体积每18个月减少一半，大约每十年都会出现一类新的计算机，基于新的编程平台、新的网络和新的界面，产生新的应用，建立一个新的产业。从六十年代的大型机，到七十年代的微型机，然后到八十年代的个人电脑，再到九十年代的网络浏览器，然后是云计算、移动设备、物联网等等，都是贝尔定律的表现。[2]
通信领域域的吉尔德定律(Gilder’s Law)：吉尔德认为主干网的带宽将每6个月增加1倍，比处理器的增长速度快得多。当前，增加带宽在技术上已无障碍，可充分满足用户的需求，移动互联网的飞速发展已经让部分人率先体验到了“永远在线”的工作与生活方式。
通信领域域的麦特卡尔夫定律(Metcalfe’s Law)：以太网的发明人鲍勃•麦特卡尔夫人为，网络价值同网络用户数量的平方成正比，即N个连接能够创造“N×N”的效益。N平方的效应在Facebook和Twitter等社会化网络上得到了完美的体现；在中国，验证这一定律的是新浪微博、腾讯微博和人人网——在这些网络里，每经过一次转发，N平方效应的爆炸性力量就得到进一步增强。[3]
有着摩尔定律支持的信息技术表示1-bit信息所需的实体要多大？原则上，可用一个粒子，比如一个电子就够了，但实际上我们还没有找到如何能将1-bit的不确定信息载荷到单个量子上的技术，当前我们采用的技术都是由大量电子的群体，即电子技术完成的。但已经做到晶体管的尺寸以nm计算的水平了，远小于头发的直径。
所有信息技术的巨大成就，最根本的原因是由于信息不是实体，摩尔定律才可能存身于信息产业之中，才能成为发展最快的行业。
摩尔定律还能挺多久，业内对此有很多争论，认为28 nm的性价最高，有的主张7 nm是其界限，致力于芯片技术研究者在埋头工作，据说已制作出1 nm芯片。致力于图像处理的NVIDIA CEO黄仁勋，鼓吹以性能提升较快的GPU替代性能提升慢的CPU来维持摩尔定律的地位。[4]
2.为什么量子技术步履艰难，成不了气候?
有关实体的技术，如能源、机器制造、运载工具等的性能提高、成本降低、体积重量减小等都不是件容易的事。这类行业不存在摩尔定律，不可能像信息技术产业那样的速度来推动人类社会前进。在实体技术类中，发展量子技术可能是更为困难、代价更大的行业了。下面我们将全面进行论述。
有关量子、量子技术我们曾写过几篇评述，本文将引用一些有关结论，不再重复论述。[5-8]
量子不是信息，它属于物质能量的实体范畴。
量子技术需要超低温环境提供，单量子生存的低温条件代价太大，发展远景要走向实用很渺茫。
单量子上载荷Shannon和Wiener的不确定信息的基本技术尚未突破，单量子通信、单量子密码通信和单量子数字计算机能否实现，何时才能实现尚属未知。
量子密钥协商不是量子密码，在密码研究领域密钥协商属密钥管理，是密钥生成和分发的技术。
量子密钥协商中的秘密是如何被隐匿的？
现有的量子密钥协商技术主要有两类，即：
⑴ BB-84协议，由美国IBM的Bennett和Brassard提出，基于量子不可克隆性。
最初接触这个协议似觉它简单、不难理解，并被它的保密性诱惑，以为找到了一种解决通信安全保密的新途径。但实际实现起来就发现，它有几个难于构建的问题。首先，要在极低温条件下产生单个量子，才能保证量子信道的不可窜扰性。其次，需要借助于常规检错编码技术实现保密增强，才能保证量子信道的信息泄露趋近于0。第三，量子信道的传送距离有限，需要制作量子中继器，在技术上尚待解决。能提供的密钥量很低，远不能满足实际需求。更要命的是实现的成本太大。这正是美国早已放弃这一方案的原因。
⑵ EPR协议，利用量子纠缠特性。
量子纠缠（quantum entanglement）的本质是两个以上单量子具有状态相同，因而所表示的信息一样（数字化后就是比特，模拟量就是量子位、昆比特）。所以说，量子纠缠本质就是信息纠缠。
利用量子纠缠实现密钥协商协议，是由阿瑟•厄克特（Artur Ekert）于1991年提出，被称为EPR-91协议。
要用量子纠缠特性实施密钥协商，首先要制备两个以上量子相互纠缠的族，只要其中的一个量子的态状发生变化，族中的其它量子必有相应的变化，不管它们之间的相距有多大。制备纠缠族需要一套复杂的激光系统和极低温环境。量子纠缠态制备器件的保真度还存在很大问题，2010年加拿大的一个攻击就是利用保真度低于80%。
其次，将纠缠族中的量子分送到不同的地点，如A、B两端。这要经由量子信道实施，这将因实际传输损耗造成距离受限，即使在自由空间传送，距离较光纤要大些，但将受到光干扰而使有效工作时间很短。
第三，A、B两端各自对纠缠量子进行随机测量，然后选取测量方式相同的时候得到的结果作为密钥，成功率是个大问题。“晶体一次可以制造6百万对光子，但是地面上的两个站点每秒只能探测到大约一对光子”[9]
由上面的论述可知，现有的量子密钥协商技术都离不开经典通信技术的支持，离开经典通信技术就不可能实现量子密钥协商。除此之外，它们的安全性还有待于深入研究，最重要的还是效率和成本太高，如“墨子号”量子实验卫星的造价为一亿美元[9]。很难满足实际需要。
3. 后量子密码时代是个伪命题
从我们已清楚量子信息技术不仅成本过高、效率很低，更重要的是实现它的最关键的技术难关，即如何将Shannon和Wiener的不确定信息载荷到单量子上尚未突破，而且对于能否和何时能突破目前还看不到曙光。至于人类是否能突破，不取决于我们主观愿望，而由物质的客观性质决定。因此，量子数字通信、单量子数字密码技术、量子数字计算机技术都还遥遥无期。当前所谓的量子计算机实际上都是将单个量子作为模拟器件运作的，如加拿大的D-wave量子计算装置所用的是量子隧穿效应。这类量子计算装置与真正的通用量子数字计算机还有很大差距，还都只适用于一些特定的算法，如D-wave对退火优化算法很有效。中国科学技术大等的十个超导量子位的处理器，所借助的是量子态的叠加性。
我们认为，在数字量子计算机和数字DNA计算机还都尚未问世条件下，谈“后量子密码时代”就是个伪命题[10]。但从密码理论探索出发，作一些研究还是有意义的。对于年轻人我还是建议，远离量子密码，将精力放在密码学的主流问题上，打好基础，深入进去，做出贡献。
4. 对信息空间中的信息战要有足够的警觉
切勿上对手的当
我们在第2.节曾指出，美国最早构建了两种量子密钥协商协议，又很快就放弃了。但对中国大搞量子通信技术却大加赞赏，鼓励你发表论文、搞量子试验专线，发墨子号量子实验卫星……这是为什么？
信息空间是人类的第二生存空间，无声的信息战无时无刻都在进行着。它虽然无声无烟，但激烈程度并不亚于物理空间中的战斗。无论你的对手夸你，骂你，你都需要保持高度警惕，切勿上当受骗！我们在信息战中不只一次地吃过大亏的，应当引以为戒。时刻保持冷静的头脑，不冲动，不意气用事，坚持走改革开放的正确道路，面向世界，增强实力，增长智慧，充满信心，为建设人类的第二生存空间，做出我们中国人应有的贡献！
5. 保证网络空间中信息安全的核心技术
仍然是Shannon的编码理论
“为了庆贺量子论的发现100周年，我建议用一个标题：‘量子论——我们的荣耀和惭愧’。为什么说荣耀？因为物理学所有分支的发展都有量子论的影子。为什么说惭愧？因为100年过去了，我们仍然不知道量子化的来源。”这是惠勒(J A Wheeler,1911-2008)在2000年12月给《Quantum Theory: A Graphic Guide》一书作者的信中讲的话，很值得我们认真思索。
100多年了，人们耗尽心智所创建的量子论给人类社会带来了哪些变化？我们在第2.节已曾指出过，在繁荣物理空间上量子技术没有帮上太大的忙，在解决信息空间的安全上也不能指望量子信息技术。最可悲的就连量子化的来源，人类仍是一无所知，真是令人惭愧呀！
为什么？究竟是何种原因走到这种境地？是不是我们的世界观出了问题？
我们人类认知世界的思维方式有两种，即逻辑思维和形象思维，我们需要分清形象思维和逻辑思维的认知结果的不同之处，特别是不能将个别人的主观想象当作大家都认可的结果。科学，特别是物理学研究，灵感、直觉是很重要的，但任何结论都必须经受逻辑思维的检验和实验的确证。
量子理论需要回归到物理学，而不是迷恋在信息、思维的迷途中。一些大谈“量子思维”的人[11]，不如去认真地去“思索量子”，用逻辑思维思索量子，会引向量子力学，用形象思维思索量子就可能会引向量子玄学。努力提高量子检测技术和完善量子的数学表述，进一步完善量子理论才是正道沧桑。
密码学和网络安全是科学问题，需要用逻辑思维来认知和解决。就是要回到Shannon的理论上来。不论是从事通信还是从事密码或信息安全技术方面的工作，都应当认真研读Shannon的两篇经典文献，深入发掘他的一些思想，这将使我们不仅能学到一些有关信息论和密码的知识，还可能会悟出一些深层的道理，这对于我们打好基础，并能有所创新会有很大帮助。[12]
致谢：深深感谢王潮、张卫国二位教授，他们仔细阅读了本文的初稿，提出了很有价值的改进意见。
参考文献
王育民，报告集-16：信息论对社会信息化的作用（2017，1，5），《王育民教授自选文集稿》报告集篇。
袁岚峰：中国科技现状，2018年6月20日上海音乐厅演讲稿 凤凰网 https://mp.weixin.qq.com/s/yePWsf-ez3sX7q9unjiDjw
网文：摩尔定律，贝尔定律，吉尔德定律，麦特卡尔夫定律，2017年04月24日 16:44:30。
GPU真的会取代CPU的位置，网文 2017-9-28，来源：超能网 作者：Axe斧娃。
王育民：困惑与质疑 20100912（第九次中国科学论坛）
王育民：读书笔记7. 量子力学，量子玄学？
王育民，偶感录-56：量子妄想曲(201705-09)，《王育民教授自选文集稿》偶感录篇。刊在《中国密码学会通讯》（内部刊物）2017年第4期（总第51期），pp.42-46。
王育民，偶感录-61：受宠、受捧者戒——读在两会上的发言有感(201705-09), 《王育民教授自选文集稿》偶感录篇。
中国墨子号卫星首次实现1200公里量子纠缠
杨波、禹勇：后量子密码学介绍朱清时关于物理学与佛教的演讲
朱清时关于物理学与佛教的演讲
Shannon与现代密码学（2009，6，6）
*博客内容为网友个人发布，仅代表博主个人观点，如有侵权请联系工作人员删除。
发布文章
