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是科学创新,还是欺天巨骗?
发表时间 2018-04-24 09:08 来源 网络
 

  梅晓春

  福州原创物理研究所

  本世纪以来,网络技术发展的同时导致严重的信息安全问题。有人不断鼓吹量子计算机的出现会导致现有的通讯保密系统崩溃,而量子通讯又被认为具有绝对的,无条件的保密性,可以有效抵挡量子计算机的攻击。处于信息安全方面的担忧,量子通讯被列为国家重大科技项目,投入巨资研究开发。由中国科技大学院士潘建伟主导的量子通讯也就成社会热门话题,不断登上中国科学进步的荣誉榜。

  潘建伟团队的量子通讯被认为是一项具有重要国际影响的原始创新成果,为我国在新兴的量子信息产业抢占先机、成为领跑者奠定了科学基础。京沪量子通讯线路的开通,墨子号通讯卫星的发射,成了中国科技进步的标志性样板。潘建伟由此获得一系列科学大奖,包括2006年国家自然科学一等奖和2017年民间“未来科学大奖”,被评为“2015中国科学年度新闻人物”,四次入选"中国十大科技进展",等等等等。加上媒体铺天盖地的宣传,使潘建伟成了科学明星人物,甚至被冠以“中国的量子之父”称号。

  今年人大政协两会期间,潘建伟接受记者采访时说,准备花20亿美元,在未来五到十年内,构建一个天地一体化的量子通讯网络,来保护千家万户的信息安全。此前潘建伟放出豪言,要向太空发射几十个同步卫星,建立全球量子通讯网络,占据全球通讯技术的至高点。潘建伟的成就让国人感到扬眉吐气,让世界为之属目。

  另一方面,科学界和相关技术人士对潘建伟的量子通讯技术存在普遍的怀疑。只要在网络上稍加检索,就会发现许多质疑、否定量子通讯技术的文章和言论。其中包括北京大学物理学院王国文教授,北京邮电大学信息工程学院院长、密码专家杨义先教授,上海大学数学系密码专家曹正军教授,河北通讯网信息传输与分发技术重点实验室专家李雨红,加州大学洛杉矶分校物理系研究员徐令予等,都实名发表专业性的文章,否定潘建伟等的量子通讯。

  还有许多知名与不知名的作者,在网上公开发表言论,从其他各种不同的角度,对潘建伟提出严厉的批评,其中包括著名评论家方舟子,燕山大学教授李子丰,美国田纳西大学物理系教授王令隽,吉林大学交通学院教授曲邵伟,学者池昭新,匿名理论物理博士VOLTES,以及作者本人等等。根据笔者的了解,目前科学界有非常多的人对量子通讯持怀疑和批评态度,包括潘建伟的中科大校友和科学院的相关学者。只是碍于某些无法明说的原因,他们在公开场合不发表意见罢了。

  面对汹汹如潮的批评,潘建伟却不为所动。他从来不做任何技术性的辩解,也不接受任何批评。他的理由有两条:1:这些批评没有在专业科学杂志上公开发表,因此不是正规的学术批评。2. 量子通讯的绝对保密性有量子力学的基本原理保证,这些批评不涉及量子力学,因而是无效的。

  潘建伟的第一条理由显然是荒谬的,没有在专业杂志上发表就不算数?这些评论中许多都是非常专业的,如果潘建伟是一个在科学上诚实的人,他就应该正视这些意见。更何况许多人是指责潘建伟造假,在欺骗国家科学管理机构和社会大众。这就如揭发一个小偷,在互联网上公布不行吗?难道还要把揭发信拿到专业杂志去正规发表?

  现实情况是,潘建伟等人已经形成利益相关的小团体,实际控制了量子通讯相关领域的话语权。批评量子通讯的文章的难以发表,在学术会议上不被允许发言。笔者本人就亲身经历过这种事,多次投稿参加中国物理学会年会,要求在信息物理学分会上发言,但均被拒绝,而潘建伟就是该分会的负责人。

  北京大学物理学院的王国文教授,是一位80多岁的资深物理学者,长期从事量子光学方面的教学和研究。多年以来,王国文教授在中国科学院的科学网博客上发表了几十篇非常有分量的文章,对潘建伟研究工作的错误性和虚假性,做了非常深刻的揭露和批判。去年6月,没任何正当理由的情况下,王国文教授的科学网博客被封。这件事除了说明国内有些人对潘建伟的偏袒到了何等盲目的地步外,还说明国内对科学批评的宽容性的缺乏到了何等严重的程度,科学公平竞争的环境是何等的恶劣。

  潘建伟的第二条理由说到根本。所谓的量子通讯的绝对保密性建立在“量子态不可克隆定理”基础上。这个定理对量子通讯至关重要,是量子通讯赖以存在的生命线。如果没有这个定理的支撑,与传统的激光光纤通讯相比,量子通讯没有一点优越性。要否定量子通讯的绝对保密性,首先就得否定“量子态不可克隆定理”。

  2018年3月20日,笔者和北方工业大学自动化系李小坚教授在《中国科技新闻网》专家智库栏目上,发表了题为《量子态不可克隆定理不成立的证明》文章。该文章证明,“量子态不可克隆定理”根本不成立,建立在这个定理的基础上的,量子通讯所谓的无条件保密性根本不存在!

  量子力学上个世纪初就被提出,至今已经一百多年。德国物理学家普朗克1900年提出微观粒子能量分立概念,其后由波尔、波恩,薛定諤、海森堡和狄拉克等人建立完整的量子力学体系。在早期的量子力学中,根本就没有什么“量子态不可克隆定理”。直到1982年,才由Wootters和Zurek提出这个定理。由于这个定理的证明过程玄而又玄,结论似是而非,不清不楚,很多从事量子力学研究的人都不知道怎么回事,也不愿意提及。直到上世纪末,量子信息理论热门起来,才把这个定理作为量子信息论的基础之一,量子通讯专家动不动就把这个定理挂在嘴上。

  为了弄清量子通讯是否真的具有无条件的保密性,笔者和李小坚教授仔细考察了“量子态不可克隆定理”的证明。结果发现这个定理矛盾百出,实际上根本不可能成立。量子信息学界对这个定理的理解也是完全错误的,实际上是只知其一,不知其二。与其把它称为“量子态不可克隆定理”,不如把它称为“量子态可克隆定理”!

  在证明“量子态不可克隆定理”的原始论文中,Wootters首先假设任意一个量子态都是可以克隆的。然后定义了一个量子态克隆算符,推导出了另外一个量子态可以克隆的两个条件。一个是正交条件,另一个是非正交条件,即这两个量子态的乘积的积分等于零或等于1。满足这两个条件的量子态都是可以克隆的,不满足才不可克隆。因此根本就不存在量子态不可克隆的问题,而是什么样的量子态可以克隆的问题。我们的研究还发现,对于一般的量子体系,可以有无穷多的量子态满足这两个条件,所谓的量子态不可克隆的说法实际上是一个笑话!

  此外,Wootters定义的量子态克隆算符有严重的问题。将这个算符作用于一个被克隆的波函数,结果不变。将它作用于标准的纯态波函数,却可以将它变成被克隆的波函数。这样的结果显然是自相矛盾的,因为纯态波函数也是波函数,因此量子克隆算符在数学上不可能成立。

  论文中举了一个简单的例子,搞物理的人只要一看就懂。比如要克隆氢原子的第一激发态,可以将氢原子的基态波函数作为标准纯态。然而我们根本不可能找到一个算符的具体形式,将它作用于第一激发态波函数结果不变,却可以将基态波函数变成第一激发态波函数。

  另一方面,受物理基本规律的限制,某些按照“量子态不可克隆定理”可以克隆的量子态实际上是不可克隆的。比如受跃迁定则的限制,氢原子的基态不可能跃迁到某些正交的激发态,这些激发态就不可能以基态波函数为纯态进行克隆。然而按照“量子态不可克隆定理”,这些激发态仍然是可以克隆的,因此“量子态不可克隆定理”在物理上一般也不成立。

  事实上,量子态克隆算符只有一个抽象的形式。物理学家们从来都没有找到它的具体形式,更不用说用它来计算具体的克隆过程。在量子力学中,所有的算符都必须有具体的数学形式,能够用它做具体计算,否则是没有意义的。因此所谓的“量子态不可克隆定理”只是说说而已,它不是一个可以具体操作的东西,更谈不上得到实验检验。

  这种情况就像某人说他有一把猎枪可以打野兽,但这把猎枪即无枪膛,也无扳机和子弹,实际上是个模型,等于无用。

  在理论上,量子态的克隆是一个非常复杂的问题,它涉及相互作用,绝不是Wootters定义的那种简单抽象算符就能描述的。

  在实验方面,量子态的制备已经是一个相当成熟的学科。比如激光器就是一个很有效的光子克隆机。连续光谱激光器不但可以克隆单个光子,而且可以大批量地克隆各种各样的光子。说光的非正交偏振态不能克隆则更为可笑,因为光偏振方向是一个相对的概念。只要让光子通过一个合适的偏振器,就可以把它变成任意偏振态的光子,光的偏振状态与是否能够克隆是无关的。说量子态不可克隆的人,只能说明他对物理学的无知。

  关于潘建伟等人对量子通讯无底线的吹嘘,密码专家杨义先教授在科学网博客上发表了一篇题为《量子的安全笑话》的文章,对量子秘钥是否绝对安全,量子通讯是否可以取代现有的光纤通讯的问题,做了详细的说明。文章写道:

  量子通讯绝对(无条件)安全吗?从哲学角度看,就算脑子坏了,你用脚后跟稍微想一想,就很清楚的事情,却被媒体炒得沸沸扬扬,好像已是真理一样。… 不要说你量子通讯不可能绝对安全;就算百年后、千年后出现的更加先进的“牛X通讯”,也不可能绝对安全!伙计,请记住:任何时候,“安全”都只是相对的,“不安全”才是绝对的!更可能的情况是:网络世界会越来越不安全,量子通讯普及后,安全问题将更多。因为,几千年来的历史经验已经反复证明,任何先进的技术都会带来新的安全威胁,这也就是为什么佛家说:人类其实是“嗜好死亡”的生物。

  杨义先教授还无不讽刺地说:

  “光纤专家们刚经历的难堪,也许可用来教训一下骄傲的量子专家:仅在几年前,光纤专家还叫板说“光纤通讯就是安全,因为光纤很难插接……”;结果话音未落,自己的底裤就曝光了!”

  不幸的是,历史再次重复,闹剧再次出演。杨义先教授的话音刚落,量子通讯专家们就露馅了。“量子态不可克隆定理”轰然崩塌,量子通讯变成一场史无前例的闹剧。潘建伟等上演了一场空前规模穿帮大戏,道具昂贵,舞台花哨,以假乱真,滥竽充数,指鹿为马,亦虚亦实,在令人眼花缭乱的一番表演之后,留下满地荒唐。

  如果潘建伟等不服气,仍然坚持皇帝有穿新衣的话,就请鼓起勇气来与我们较量一番。拿出他们的真本事,证明“量子态不可克隆定理”没有错,我们的文章纯属胡说八道。如果潘建伟们能够证明这一点,就可以为自己洗白。如果不能证明这一点,就逃不了欺世盗名的指控。花了几十亿元人民币,搞了这么一个举世闻名的假大空工程,欺骗全世界,他们应当向全国人民谢罪!

  “量子态不可克隆定理”的证明其实很简单,它就如一层窗纸,一旦被捅破,学物理的谁都能看懂。国内懂量子力学的人千千万万,请大家读一读我们的证明,看看“量子态不可克隆定理”到底对不对?潘建伟等也不要说我们的文章没有正式发表,中国科技新闻网是中国科技部办的。他们不承认也没有关系,但请他们把向科技部要钱给退了。

  在中国科技新闻网同日同栏发表的,还有梅晓春,李小坚和俞平写的另外一篇文章,题为《量子通讯的无条件保密性不存在——量子通讯可以用经典光学理论描述与量子力学无关》。在这篇文章中,梅晓春等指出,量子通讯的BB84协议属于经典光学的激光弱光源通讯范畴。它的理论和实际操作过程都可以用经典光学理论描述,与量子力学没有关系。与传统的建立在大数分解基础上的密码系统和成熟的大容量光纤通讯相比,量子通讯没有任何优势,不但效率低下,而且稳定性差,实际上根本不适用。

  事实上,量子通讯表面上看用量子力学波函数描述光子,但所谓的波函数实际上是电场强度,不是真正的量子力学波函数。量子力学的叠加态波函数是希尔伯特空间的矢量,不是欧几里得空间的矢量,即不可直接测量,不能在欧几里得几何空间中进行分解。量子通讯用的实际上是电场强度,它是欧几里得空间的矢量,可以直接测量,二者的物理概念是完全不一样的。但量子通信却将二者混肴,有电场强度来代替量子力学波函数,假冒量子力学。

  实际的量子通信只需要用到分光器,通过它来改变光的偏振,用偏振态来编码和传送信息。这些都是经典光学的东西,采用经典电磁理论就能描述。光子的概念在牛顿时代就已经提出,并不是量子力学出现后才有的概念。所谓的量子通讯实际上是建立在经典光学基础上,采用弱光源进行的光纤通讯,与量子力学完全无关。

  事实上,量子通讯理论从来都不讨论薛定諤方程,不需要求解任何量子力学方程,甚至连普朗克常数都不出现。量子力学最重要的特征之一,是波函数的线性叠加原理,量子力学的态是线性叠加态。然而在量子通讯的实际操作过程中,用来编制密码的光子都是具有确定偏振的单光子,而不是叠加态的光子。按照量子力学的测量理论,一旦进行测量,波函数就崩塌到叠加态的某个状态。由于光子的发射与接收都可看成一种测量过程,线性叠加态是不可输入和输出的,所谓的量子通讯根本不涉及叠加态。

  在网上可以查到,李红雨和李维纲分别提出破解BB84协定的方法。这两个方法都非常简单,所用到的就是几个分光器,几个步骤就可以把发送方发送的光子的偏振态测量清楚。不管他们的方法是否真的可用,都说明BB84协定使用的就是经典光学方法,与量子力学无关。

  事实上,量子通讯理论从来都不讨论薛定諤方程,不需要求解任何量子力学方程,甚至连普朗克常数都不出现。量子力学最重要的特征之一,是波函数的线性叠加原理,量子力学的态是线性叠加态。然而在量子通讯的实际操作过程中,用来编制密码的光子都是具有确定偏振的单光子,而不是叠加态的光子。按照量子力学的测量理论,一旦进行测量,波函数就崩塌到叠加态的某个状态。由于光子的发射与接收都可看成一种测量过程,线性叠加态是不可输入和输出的,所谓的量子通讯根本不涉及叠加态。

  除此之外,所谓的量子通讯与一般人的理解有很大的距离,以下几点需要澄清。

  1. 量子通讯传送的实际上是秘钥,即给信息加锁和解锁的钥匙,而不是传送经过加密的信息。原因在于现代通讯的信息量非常大,由于采用极弱的光源(单光子),量子通讯的效率非常低,根本不能适应大容量通讯的需要。

  2. 所谓的量子秘钥的本身仍然是一种传统的秘钥形式,即随机码。按照密码学理论,只要随机码不是和明文一样长,仍然是可以破译的。

  3. 量子秘钥的传送与大容量的数据传输是分开进行的,有两种方式传送方式。一是与传统光纤并行铺设一条独立的光纤传送,二是通过卫星远距离传送。大容量明文的加密仍然用传统方法完成的,并且通过传统的光纤传输。把这种通讯说成量子通讯名不符其实,是混肴概念。

  4. 按照正常的理解,如果窃听者对秘钥的传送进行窃听,将窃听到的信息进行复制并按原线路送回,就有可能不会被发现。量子通讯理论认为,由于存在所谓的“量子态不可克隆定理”,量子信息不可复制,窃听者就无法将窃听到的信息进行复制并送回。窃听者就一定会被发现,信息传输方可以立即中断传输以防进一步的泄密。

  因此所谓的量子通讯绝对保密只能理解为“秘钥的窃听者一定会被发现”,而不是量子通讯可以绝对保密。这与一般人想象的,量子通讯不可破译根本就不是一回事。事实上,通讯的连续性是非常重要的,如果因为窃听而无法连续,其实用价值就打了个大折扣。

  5. 由于量子秘钥采用单光子或弱脉冲信号编码,在光纤中传送很容易衰减。因此就不得不在沿线每隔一百多公里就建立一个中继站,将量子秘钥解译出来(将光信号转化成电信号),放大后再转化成光信号,重新输入线路。在此转化过程中如果有人窃取秘钥,则是无法发现的。

  因此每个中继站都得派人严守,或安装监控设备。如果看守人被收买,或监控设备失灵,量子秘钥完全可以被泄露而不为传送者所知。由于在这个环节上没有绝对的保密性,通过地面光纤传输的量子通讯方法的绝对保密性实际上不存在。

  6. 通过卫星来传输量子秘钥,就是为了解决这个问题。但由于使用的是单光子或弱光源,卫星传输方法受到极大的限制。白天太阳当空,秘钥编码光源比背景光弱得多,实际上难以观察,只能在夜晚通讯。而大气环流的扰动,云彩遮盖,空气中尘埃、水汽、微粒分子的散射等等,都会对秘钥光子的传输造成严重的影响。由于低轨道卫星在地球表面是一掠而过的,能够进行通讯的时间只有几分钟,就需要发射大量卫星才能形成网络。

  7.即便如此,从各个卫星通信站到各个用户之间仍然需要光纤来联通,仍然不能保证秘钥不被窃取。加上同样存在物理学基本原理方面的问题,量子卫星通讯也没有实用价值。

  如果量子通讯的绝对保密性的物理学基础不存在,BB84协议只是一种用单光子来编制的新形式的秘钥,与其他传统的秘钥相比,是不是有优越性呢?

  关于这个问题,密码专家曹正军指出,提出量子通讯BB84协议的Bennett和Brassard两人都不是从事密码技术研究的专业人士,对通讯的基本要求似懂非懂。他们没有认识到信号安全与信息安全的差异,逆技术潮流而动,提出了基于物理技术手段,而不是智力手段的所谓的量子密码学。尽管他们的后继者发表了许多文章和实验,成功地吸引了公众的关注,但是无法改变这个事实——大规模的量子通讯网络是不可行的。

  密码专家杨义先、信息通讯专家李红雨在他们的文章中给出更详细的证明,否定量子密钥比传统秘钥更安全,具有更大优越性。对这个问题,可见附录文章,本文以下再简单谈几点。

  按照BB84量子通讯方法,生成的所谓秘钥是一串二进位制的随机码。它实际上就是一种简化到极致的,称为模2加的经典序列密码。而按密码专家的说法,这类用电噪音等手段来产生的“随机的密钥流序列”,在现在的每台密码机上都已经是成熟的标配设备。

  事实上,现有密码学研究已经发展出非常复杂的体系,已有的序列密码比这种模2加的方式要复杂的多,保密程度好得多。因此量子BB84协议根本没有优势,由于生成和传输秘钥的过程过于复杂,所涉及的物理过程受到很大的限制,就不可能比其它序列密码具有更好的保密性,更不用说有足够长度的RSA秘钥和AES体系了。

  量子计算机的计算能力严重依赖于量子算法,只能用于某些特殊的问题。对于许多平常的问题,由于找不到合适的算法,量子计算机实际上是无能为力的。即使量子计算机真的能够如愿而生,也只能用来对付RSA这类不对称密钥。就如徐令予指出,对于基于复杂逻辑运算的对称密钥体制,量子计算机根本就没有威胁。现在所有金融行业(包括银行)采用的都是对称密钥体制,这个标准在由中国人民银行颁布的PBOC里有详细的描述。对于这类对称性秘钥,量子计算机只能望洋兴叹。

  然而,在量子通讯项目的论证上,传统的信息安全专家基本被排除在外。正如李红雨的评论所言:“量子通讯只是量子实验专家在唱独角戏,信息领域安全专家和通讯领域专家全无参与,绝对是KTV模式。用实验室的模式直接铺开做大工程项目,只能说国家钱多得没地方花了”。

  潘建伟等则从来不对新闻界和科学大众说明这些问题,他们甚至可能并不知道其中的一些问题。他们所做的,就是不断地重复量子计算机面前无秘密的谎言,不断地用这种杞人忧天东西来吓唬媒体,刺激老百姓的神经,欺骗国家科学管理机构,捞取大笔的科研经费,达到名利双收。

  今年3月人大政协两会期间,中央电视台面对面栏目记者董倩采访潘建伟时,潘建伟脱口说:“量子力学我们自己也搞不清楚,这是一个非常大的问题。”这句话把董倩彻底搞懵了,就问:“我不明白您这话什么意思?… 您得了那么多奖了,国家最高奖都得了。… 已经研究一辈子了,今天坐在这里还说我没有弄明白呢?”潘建伟回答说:“量子力学是在一个面纱里,我这里只是看到面纱的一部分,那里看到一部分。整个面纱还没有掀掉,里面到底是什么现在还不清楚。…. 今天有人让我弄明白了,我马上死掉都可以。”

  世界上的事情就是这样滑稽,量子通讯的现状尤其滑稽,潘建伟更是不可理喻的滑稽。一个自称自己没有搞懂量子力学的人,居然成了量子技术的首席科学家,还把量子通讯卫星送上天!

  科学和技术是两个不同的概念,科学探索未知,主要在原理方面。技术利用已知的科学原理,强调实用性。要想成为实用技术,首先得搞清楚科学原理。如果原理都没有搞清楚,从事技术开发就无异于赌博,一败涂地是必然的。

  量子信息理论涉及量子力学中一些最基本、但也最模糊的概念。比如波函数的物理意义,测量是否真能导致波函数崩塌,叠加态与纠缠态的本质是什么等等,至今都没有搞清楚。自量子力学诞生以来,对它的解释有十几种,至今没有定论。

  量子通讯理论实际上建立在量子力学的哥本哈根解释基础上,而哥本哈根解释恰恰是最具争议的。自从量子力学诞生以来,就一直受到严厉的批评。潘建伟等用量子力学的哥本哈根解释来搞量子技术开发,不出问题才怪呢!

  中国需要科学创新,我们需要的是真正的科学创新,而不是以科学创新的名义兜售的假货。量子通讯这件事,使人想起多年前轰动一时的,上海交通大学教授陈进的汉芯造假事件。陈进当初被称为“汉芯之父”,潘建伟则被称为中国的“量子之父”,这种相似性难道不会使人产生某种联想吗?

  关于量子通讯的更多真相,请看以下文章:

  1.梅晓春,李小坚,量子态不可克隆定理不成立——量子通信的物理学基础不存在,中国科技新闻网,2018年3月20日,

  2. 梅晓春,李小坚,俞平,量子通讯的无条件保密性不存在——量子通讯可以用经典光学理论描述与量子力学无关,中国科技新闻网,2018年3月20日,

  3. 梅晓春新浪博客

  4. 杨义先,量子的安全笑话,科学网,

  5. 李红雨,量子通信是安全的吗?科学网,

  6. 李红雨,再谈量子通讯的破解之道,科学网,

  7. 曹正军,通讯的基本任务是什么?量子通讯真的很神奇吗?财新网

  8. 徐令予,需求和成本是工程立项的基础,一评京沪量子通信干线工程,科学网,

  9. 王令隽:关于中国量子通信卫星的讨论,新浪博客,

  10. 李维纲,论BB84协议的一种破解方法,科学网,

  11. 李维纲,以子之矛,攻子之盾——详解BB84协议的一种破解方法,科学网,