本科生发明最先进加密术:量子钞票了解一下?

作者: Sheldon

来源: 墨子沙龙

发布日期: 2019-09-06 18:19:48

本文讲述了威斯纳在1960年代作为一个本科生,如何通过量子物理学的知识提出“量子钞票”的概念,虽然这一概念在技术上未能实现,但这一思想最终催生了量子密码学的发展。

在1960年代,有一个名叫威斯纳(Stephen Wiesner)的本科生,是原MIT校长的儿子。他在美国布兰蒂斯大学上学时,就开始对量子物理学产生了浓厚的兴趣。一般的本科生学了量子物理学以后,通常也就是放几句“将来我要拿诺贝尔奖”的狂言,然后灰溜溜地毕业滚蛋。但威斯纳与众不同,他学会量子物理学后,忽然想到一个能发财的点子!原来,在量子物理学中有一个奇怪的定理,叫作“量子不可克隆定理”。

它的意思是说,如果你制造了一个量子态X,并且对外界保密,那么任何人都不可能像我们用Ctrl + C、Ctrl + V那样,克隆一个跟它一模一样的量子态出来。知道了这个原理后,威斯纳忽然想到一个办法,可以把它应用到实际生活中。威斯纳想,市面上不是有很多假钞吗?如果我制造一种量子钞票,像打水印一样往每张钞票放入不同的秘密的量子态,别人岂不是永远也无法伪造或复制了吗?

但是,你可能会问了,既然伪造者复制不了量子态,那他能不能测量一下其中一张钞票中的量子态是什么,然后照着测量的结果仿造一大堆伪钞呢?答案是不能。这是因为在量子力学中,还有一个奇怪的原理,叫作“测不准原理”。也就是说,任何伪造者都不可能只测一次,就准确测出量子态的全部特征来。更加奇怪的是,量子态还有个毛病,叫做“只能测一次”。

不论是谁,只要对任何一个量子态做一次测量,那个量子态就会瞬间坍缩,彻底变成另外一个状态。所以,如果第一次没测准,那么永远也不会有第二次机会了。所以,如果威斯纳设想的量子钞票真的能够实现,那么只要量子物理学没有被推翻,它就真的可以从物理上实现“不可伪造”、“不可复制”的愿望。当然,威斯纳后来并没有发财。因为他的设想只是在原理上可行,在技术上还实现不了。威斯纳想,发不了财没关系,发篇论文应该是妥妥的。

于是,威斯纳把他的理论写成了一篇论文,投给了IEEE(美国电气和电子工程师协会)的一家期刊,结果却惨遭拒绝。原因也很好理解,IEEE的那份期刊从编辑到审稿人都是搞信息科学的,根本看不懂这篇写满了量子物理学符号的论文。在挫折面前,威斯纳并没有对自己的理论失去信心。俗话说的好,是金子总会发光!他立志一定要让世人知道他的理论。于是,威斯纳只要逮到机会,就会宣传自己的“量子钞票”理论,结果遭受了更多挫折!

幸好,威斯纳有个好基友,叫作本奈特(Charles Bennett),当时在哈佛读研究生。于是,威斯纳就去波士顿找本奈特,把自己的这个想法告诉了他。别人可以不懂威斯纳,但是本奈特不可能不懂威斯纳。听了“量子钞票”的理论,本奈特大为赞叹。于是,作为好基友,他只要逮到机会,便向他人介绍威斯纳的理论。只是在当时,面对如此超前的理论,回应者始终是寥寥无几。就这样过去了十几年,直到1979年。

当时,加勒比海的一个岛国叫波多黎各正在举办一场信息科学的国际会议。由于波多黎各是著名的海滨度假圣地,在会议期间,科学家们总会忙里偷闲,跳到大海里畅游一番。有一天,一位叫布拉萨德(Gilles Brassard)的博士生正在海里游泳,忽然,他发现有一个人迎面向他游过来,越来越近,越来越近,然后……经过一通海聊,布拉萨德终于搞清楚了。

对面的这个人不是坏人,而是在他读过的一篇文章中讲到的一个科学研究的作者本人,叫本奈特。当然啦,本奈特也不是随便搭讪他的。布拉萨德曾经在国际会议上要做了一个报告,内容是“相对密码学”。本奈特觉得这人肯定会对“量子钞票”理论感兴趣,所以特地游过来搭讪他。布拉萨德和本奈特两个年轻科学家一见如故。他们的思想经过剧烈碰撞后,很快发现,用“量子钞票”的理论造钞票虽然不行,但是可以往密码学上面套啊!

他们连忙潜心研究,在1982年时合写了一篇论文,向世人介绍了一个新的理论,叫作“量子密码学”。于是,在量子物理学诞生82年后,它和传统密码学的结晶,量子密码学问世了。不过,跟“量子钞票”理论一样,布拉萨德和本奈特一开始提出的“量子密码学”方案,也有一个明显不实用的地方。他们的初衷看起来很好,“用量子态来储存关键信息”,可是,在70、80年代时,人们最擅长操纵的量子态是在真空中永远以光速飞行的光子。

想想看,你能把光子储存在口袋里,需要用的时候再拿出来用吗?光子就是用来传播信息的,怎么能储存在口袋里呢?于是,布拉萨德和本奈特灵机一动想到,既然光子不适合储藏,只适合传播,那我们干嘛不发挥它的特长,让它来传递某种“不可伪造”、“不可复制”的重要信息呢?就这样,在1983年,布拉萨德和本奈特又提出了一个新的理论。在这个理论中他们证明,科学家可以用光子形成的量子态,传输一组任意长的随机密钥。

这个密钥非常安全,发送者和接收者可以放心地用它来加密或解密一段信息。不用担心窃听,不用担心伪造,因为量子物理学中的“测不准原理”和“不可克隆定律”,保证了它的完全性。这个理论就是后来支撑了量子密码学半边天的量子密钥分发。有趣的是,布拉萨德和本奈特在为他们的理论投稿时,只能把长篇大论缩写成寥寥几句话,因为他们瞄准的1983年度顶级信息论会议ISIT只接受“论文摘要”。

俗话说得好,在家靠父母,出门靠朋友。布拉萨德也有一个好基友,叫作巴尔加瓦(Vijay Bhargava)。巴尔加瓦正好在负责下一年的IEEE会议。于是,在巴尔加瓦的邀请下,布拉萨德和本奈特将他们的新理论写成了一篇文章,发表在了1984年的一次IEEE的会议上。正是因为这篇论文,他们的理论终于获得了更广泛的关注。并且,该理论最终以他们二人的姓名首字母命名,叫作BB84协议。

就这样,从1960年代威斯纳不切实际的“量子钞票”开始,到1984年BB84协议的发表,量子密码学终于正式诞生了。

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