2016年8月16日，世界第一颗量子科学实验卫星“墨子号”成功发射。在轰动的同时，对量子通信的质疑也掀起了新的高潮，有人认为它其实只是摆设，有人认为原理不通，还有人认为这完全是个骗局。许多朋友拿着各种各样的问题来问我，我在这里集中回答和科普一番。无论如何，中国人民如此关心一个科学问题，就像以前的哥德巴赫猜想、青蒿素，这是一件好事。科学界应该做出专业准确的回应，公众也应该从中提高科学素养，让社会在这种互动中进步。

2016年8月16日量子科学卫星“墨子号”发射

为了读者阅读方便，我先把几种典型的否定量子通讯的意见列出来，在正文我会对诸多疑问给出解答。

问：量子通信只要有敌方存在就办不了事，这样的系统最终只能沦为摆设。

问：王国文的《扫谎打非：敦促潘建伟院士走出迷途》说量子通信的原理是错的，潘建伟是骗子？

问：量子通信如果这么好，为什么美国欧洲不做？

问：量子通信的缺点这么多，为什么不继续完善传统通信？

问：“鬼魅般的超距作用”之类的，听起来就不靠谱？

问：量子通信是滥竽充数，主管领导骑虎难下同流合污，所有人都知道是骗局，只有国家最高层的领导不知道！

下面是正文。

一、量子通信是什么？不是什么？

量子通信是量子信息这个学科的一部分，量子信息是量子力学和信息科学的交叉学科。量子信息除了量子通信之外，还包括量子计算。而媒体平时谈的量子通信，一般特指量子通信中的一部分，称为量子密码术，或者量子保密通信，或者量子密钥分发。量子通信中还有其他的内容，如量子隐形传态，相当于科幻电影中的“传送术”（我的文章《科普量子瞬间传输技术，包你懂！》有介绍）。

本文后面谈的量子通信，都指量子密码术。

量子密码术，顾名思义，是一种保密的方法。所以，请切记，量子通信是一种保密的方法，仅此而已。许多人以为量子通信是一种超光速的通讯方式，相距几光年的两个星球之间都可以瞬间联系，科幻电影里老这么演。其实不是这样的，量子通信不能超光速。这一点也请切记，量子通信不超光速。还有许多人以为量子通信颠覆了某些物理理论，最常中枪的是相对论。这也是误解。量子通信是量子力学、相对论这些标准理论的应用，因此不可能推翻标准理论。与其把它理解成一个推翻正统的革命家，不如把它理解成一个在现行体制下发挥奇思妙想的工艺大师。

二、传统密码有什么缺点？

量子通信是一种保密的方法。那么我们首先要问，传统的保密方法有什么不足？为什么需要寻找新的保密方法？不少文章，如加州大学洛杉矶分校物理系研究员徐令予的《为什么发展量子密钥技术已刻不容缓》对此解释得很清楚。下面我再向读者简要说明一下。

我们最容易想到的密码，是通信双方都知道一组编码规则，即“密钥”，用这组编码规则将明文转换成密文传输，那么即使被敌方截获，也破译不出原文。《红灯记》里李铁梅一家拼尽性命保护的密电码，就是这样的密钥。由于双方都知道，所以这种方法叫做“对称密码体制”。

对称密码体制究竟安全不安全呢？答案是：密码本身安全，但密钥的配送（或称为“分发”）不安全。

我们先来解释一下前一句话：密码本身安全。信息论的鼻祖克劳德·香农证明了，如果密钥是一串随机的字符串，而且跟要传送的文本一样长或更长，而且每传送一次都更换密钥（即“一次一密”），那么敌方不可能破译密码。这是一个数学定理，不是经验总结，所以正确性是无可争议的。

我们再来解释一下后一句话：密钥的配送不安全。香农的定理似乎说明，对称密码体制足以满足实践要求，但其实不是。真正的问题在于：怎么让通信双方都知道密钥？如果用电报、电话、电子邮件等信息通道传输密钥，那么被截获的可能性很大。最安全的办法是让通信双方直接见面交换密钥，可是如果双方能轻易见面，还要通信干什么？

有实用意义的是，让可信的第三方信使传送密钥。从《红灯记》到《潜伏》，无数的谍战人员为护送密钥殚精竭虑。这种方式的麻烦还是很大。一方面，传送一次很不容易，密钥更新频率太低，现在常常是半年一换。那么一次一密就无从谈起，香农定理的条件不满足，密码的安全性下降。另一方面，你怎么知道信使是“可信”的？信使叛变或被抓的例子不少，造成的危害太大了。

为了解决密钥配送的问题，聪明的数学家们想出了另外一套办法，称为“非对称密码体制”或者“公钥密码体制”。你不是担心信使吗？那干脆完全取消信使。这里的关键在于，解密只是接收方（后面称为B方）要考虑的事，发送方（后面称为A方）并不需要解密，他们只要能加密就行。那好，B方打造一把锁和相应的钥匙，把打开的锁公开寄给A方。A方把文件放到箱子里，用这把锁锁上，再公开把箱子寄给B方。B方用钥匙打开箱子，信息传输就完成了。如果有敌对者截获了箱子，他没有钥匙打不开锁，仍然无法得到文件。这里的“锁”是公开传输的，任何人都能得到，所以叫做“公钥”，而“钥匙”只在接收方手里有，所以叫做“私钥”。

这种思想十分巧妙，而它实现的关键在于：有了私钥可以容易地得到公钥，而有了公钥却极其难以得到私钥。就是说，有些事正向操作很容易，逆向操作却非常困难。因数分解，即把一个合数分解成质因数的乘积，例如21=3×7，就是这样一种“易守难攻”的问题。

有人也许会问，这有什么难的？分解21当然轻而易举。但分解2⁶⁷–1=147,573,952,589,676,412,927呢？这是个18位数。很长时间里，人们以为它是一个质数。直到1903年，人们才发现它是一个合数，等于193,707,721×761,838,257,287。

让我们想想，如何分解一个数字N。最容易想到的算法，是从2开始往上，一个一个地试验能否整除N，一直到N的平方根为止。如果N用二进制表示是个n位数，即N约等于2ⁿ，那么尝试的次数大约就是2^n/2。位数n出现在指数上，这是非常糟糕的情况，因为指数增长是一种极快的增长，比n的任何多项式都更快。比如说，2^n/2比n的10000次方增长得还要快。