為什麼量子技術成氣候竟這樣難？
成文時間：2018年7月13日
在人類社會的發展史上，20世紀40年代科學技術的發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”：系統論、控制論和信息論。[1]
系統論（Systems Theory）告訴我們，宇宙中的一切事物都是某種系統，大到宇宙，複雜的如人腦，簡單的如照明的電燈。任何系統都是由物質、能量和信息三大要素所組成，其中，物質和能量是客觀存在的、有形的，信息是抽象的、無形的。物質和能量是系統的“軀體”，信息是系統的“靈魂”。物質屬實體範疇。信息要藉助於物質和能量才能產生、傳輸、存儲、處理和感知；物質和能量要藉助於信息來表述和控制。愛因斯坦的相對論證明了物質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，不是物質也不是能量。”[1]。
這是第一次將“信息”的重要性提到了空前未有的高度，與物質和能量並列的重要地位，這對於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）於1948年所創建的。
通信的目的就是要獲取所關注事件的信息。事件的發生是隨機的，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，並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小（或解除）的不確定性的量[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》一書中已強調指出，Shannon的著作中則給出了全面的、嚴格的數學論證，成為一個完整的信息理論體系。
信息論萌發了整個通信領域的（數字化）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瞭方向，1946年的計算機、1947年晶體管的誕生和相應信息技術的發展，則是這一革命的物質基礎。
幾十年來，人類社會在數字化、網絡化和智能化三大技術的強有力的推動下，逐步由工業化社會發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字空間（又稱賽伯空間——Cyberspace）中生存競爭。
控制論（Cybernetics）
控制論的創始人是美國數學家維納(Wiener, 1894,11,26-1964,3,18)。控制論是研究動物(包括人類)和機器內部的控制與通信的一般規律的學科,著重於研究過程中的數學關係。綜合研究各類系統的控制、信息交換、反饋調節的科學，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、神經生理學、心理學、數學、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：
- 為什麼信息技術能成氣候並構建了一個人類新的生存空間——信息空間；
- 2.為什麼量子技術步履艱難，成不了氣候?
- 後量子密碼時代是個偽命題；
- 對信息空間中的信息戰要有足夠的警覺,切勿上對手的當；
- 保證網絡空間中信息安全的核心技術仍然是Shannon的編碼理論。
1. 為什麼信息技術能成氣候並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，信息和有形的物質和能量不同，它是抽象的、無形的，是系統的“靈魂”。信息要藉助於物質和能量才能產生、傳輸、存儲、處理和感知；物質和能量要藉助於信息來表述和控制。
表示信息所需的物質資源很有限，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數字符號抽象地表示了。但要研究信息的產生、傳輸、存儲、處理和感知就需要藉助於實體（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。
不同於農業、機械、能源等領域，在信息產業中廣泛存在著類似於摩爾定律的發展定律。
芯片發展中的摩爾定律(Moore’s Law)：摩爾定律是由英特爾（Intel）創始人之一戈登•摩爾（Gordon Moore）於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。這一發速度竟然持續了近半個世紀。
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一類新的計算機，基於新的編程平臺、新的網絡和新的界面，產生新的應用，建立一個新的產業。從六十年代的大型機，到七十年代的微型機，然後到八十年代的個人電腦，再到九十年代的網絡瀏覽器，然後是雲計算、移動設備、物聯網等等，都是貝爾定律的表現。[2]
通信領域域的吉爾德定律(Gilder’s Law)：吉爾德認為主幹網的帶寬將每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，移動互聯網的飛速發展已經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)：以太網的發明人鮑勃•麥特卡爾夫人為，網絡價值同網絡用戶數量的平方成正比，即N個連接能夠創造“N×N”的效益。N平方的效應在Facebook和Twitter等社會化網絡上得到了完美的體現；在中國，驗證這一定律的是新浪微博、騰訊微博和人人網——在這些網絡裡，每經過一次轉發，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，當前我們採用的技術都是由大量電子的群體，即電子技術完成的。但已經做到晶體管的尺寸以nm計算的水平了，遠小於頭髮的直徑。
所有信息技術的巨大成就，最根本的原因是由於信息不是實體，摩爾定律才可能存身於信息產業之中，才能成為發展最快的行業。
摩爾定律還能挺多久，業內對此有很多爭論，認為28 nm的性價最高，有的主張7 nm是其界限，致力於芯片技術研究者在埋頭工作，據說已製作出1 nm芯片。致力於圖像處理的NVIDIA CEO黃仁勳，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.為什麼量子技術步履艱難，成不了氣候?
有關實體的技術，如能源、機器製造、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。這類行業不存在摩爾定律，不可能像信息技術產業那樣的速度來推動人類社會前進。在實體技術類中，發展量子技術可能是更為困難、代價更大的行業了。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，不再重複論述。[5-8]
量子不是信息，它屬於物質能量的實體範疇。
量子技術需要超低溫環境提供，單量子生存的低溫條件代價太大，發展遠景要走向實用很渺茫。
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字計算機能否實現，何時才能實現尚屬未知。
量子密鑰協商不是量子密碼，在密碼研究領域密鑰協商屬密鑰管理，是密鑰生成和分發的技術。
量子密鑰協商中的秘密是如何被隱匿的？
現有的量子密鑰協商技術主要有兩類，即：
⑴ BB-84協議，由美國IBM的Bennett和Brassard提出，基於量子不可克隆性。
最初接觸這個協議似覺它簡單、不難理解，並被它的保密性誘惑，以為找到了一種解決通信安全保密的新途徑。但實際實現起來就發現，它有幾個難於構建的問題。首先，要在極低溫條件下產生單個量子，才能保證量子信道的不可竄擾性。其次，需要藉助於常規檢錯編碼技術實現保密增強，才能保證量子信道的信息洩露趨近於0。第三，量子信道的傳送距離有限，需要製作量子中繼器，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。更要命的是實現的成本太大。這正是美國早已放棄這一方案的原因。
⑵ EPR協議，利用量子糾纏特性。
量子糾纏（quantum entanglement）的本質是兩個以上單量子具有狀態相同，因而所表示的信息一樣（數字化後就是比特，模擬量就是量子位、昆比特）。所以說，量子糾纏本質就是信息糾纏。
利用量子糾纏實現密鑰協商協議，是由阿瑟•厄克特（Artur Ekert）於1991年提出，被稱為EPR-91協議。
要用量子糾纏特性實施密鑰協商，首先要製備兩個以上量子相互糾纏的族，只要其中的一個量子的態狀發生變化，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。製備糾纏族需要一套複雜的激光系統和極低溫環境。量子糾纏態製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於80%。
其次，將糾纏族中的量子分送到不同的地點，如A、B兩端。這要經由量子信道實施，這將因實際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，然後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。“晶體一次可以製造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，現有的量子密鑰協商技術都離不開經典通信技術的支持，離開經典通信技術就不可能實現量子密鑰協商。除此之外，它們的安全性還有待於深入研究，最重要的還是效率和成本太高，如“墨子號”量子實驗衛星的造價為一億美元[9]。很難滿足實際需要。
3. 後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，而且對於能否和何時能突破目前還看不到曙光。至於人類是否能突破，不取決於我們主觀願望，而由物質的客觀性質決定。因此，量子數字通信、單量子數字密碼技術、量子數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字計算機還有很大差距，還都只適用於一些特定的算法，如D-wave對退火優化算法很有效。中國科學技術大等的十個超導量子位的處理器，所藉助的是量子態的疊加性。
我們認為，在數字量子計算機和數字DNA計算機還都尚未問世條件下，談“後量子密碼時代”就是個偽命題[10]。但從密碼理論探索出發，作一些研究還是有意義的。對於年輕人我還是建議，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要有足夠的警覺,
切勿上對手的當
我們在第2.節曾指出，美國最早構建了兩種量子密鑰協商協議，又很快就放棄了。但對中國大搞量子通信技術卻大加讚賞，鼓勵你發表論文、搞量子試驗專線，發墨子號量子實驗衛星……這是為什麼？
信息空間是人類的第二生存空間，無聲的信息戰無時無刻都在進行著。它雖然無聲無煙，但激烈程度並不亞於物理空間中的戰鬥。無論你的對手誇你，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，不衝動，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現100週年，我建議用一個標題：‘量子論——我們的榮耀和慚愧’。為什麼說榮耀？因為物理學所有分支的發展都有量子論的影子。為什麼說慚愧？因為100年過去了，我們仍然不知道量子化的來源。”這是惠勒(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，人們耗盡心智所創建的量子論給人類社會帶來了哪些變化？我們在第2.節已曾指出過，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！
為什麼？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？
我們人類認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。科學，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學表述，進一步完善量子理論才是正道滄桑。
密碼學和網絡安全是科學問題，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的兩篇經典文獻，深入發掘他的一些思想，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，這對於我們打好基礎，並能有所創新會有很大幫助。[12]
致謝：深深感謝王潮、張衛國二位教授，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：中國科技現狀，2018年6月20日上海音樂廳演講稿 鳳凰網 https://mp.weixin.qq.com/s/yePWsf-ez3sX7q9unjiDjw
- 網文：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，網文 2017-9-28，來源：超能網 作者：Axe斧娃。
- 王育民：困惑與質疑 20100912（第九次中國科學論壇）
- 王育民：讀書筆記7. 量子力學，量子玄學？
- 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《中國密碼學會通訊》（內部刊物）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——讀在兩會上的發言有感(201705-09), 《王育民教授自選文集稿》偶感錄篇。
- 中國墨子號衛星首次實現1200公里量子糾纏
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