感悟认知科学-13：对量子、量子技术的认知

王育民（2019, 04-08）

我们将按1. 感知量子、量子力学；2. 量子密钥协商BB-84协议；3. 量子密钥协商EPR-91协议；4 中国科学技术第9次学术论坛——量子密码技术应用基础性问题，2010,09, 北京；5. 中科院、中工院2018年会；6. 要有意志，但不要成为唯意志论者；7. 结论等几个部分论述我们对量子、量子技术的认知历程。

一、 感知量子、量子力学

记得大约在20年前，1999年接近岁末的时候，世人都在翘首盼望“千禧年”的到来，并展望21世纪的美好前景。信息学科正在与多种新兴学科相互渗透和融合。也提出了不少新的挑战问题，Moore定律还会延续多少年？超智能计算机何时会出现？堪比生物脑的人工脑能出现吗？具有生物人智慧的机器人能造出来吗？。

世纪之交，人们提出大量人类社会发展的种种预测，其中与密码和信息安全关系密切相关的有两个主要科学论题，即量子、量子技术和DNA技术。有人曾给出预测，2020年左右将会造出量子计算机，DNA计算的试管雏型亦已在密码会议上展示。一些在图灵计算机上无法求解的数学难题，可望由这两类新型计算机求解。建立在数学难题基础上的密码还有救吗？这对于从事密码和信息安全的人来说真如被迎面泼了一盆冷水，浑身湿透，不禁打了几个寒噤。但头脑倒清醒了不少，开始思索今后的出路。

对于学工出身，数理基础有限，不懂量子、量子力学的人，只好从扫盲做起，先后读了几本入门书：[5，6，7等。

理解量子和DNA都不是易事，会产生了很多困惑，认知量子的本质，理解量子力学的奥秘是认知科学极具挑战性的任务。

对量子、量子力学的两点质疑[17]： 

1. 波动的显现是由大量粒子作用的结果，单个粒子如何能呈现波动？

2. 上帝是否真的在掷骰子？对于量子的看法爱因斯坦和玻尔哪一位是正确的？

个人观点：

量子本质是一种物质粒子，它很小、且高速运动着，我们尚无技术精确测出它的状态。但可以想象若将量子的运动速度降到足够低，是否就能测定它的状态了，硬币执出后也就知道“塌缩”后果，或薛定谔猫的死活了吧。

玻尔曾修习过心理学，他所创建的量子力学不都是逻辑思维的产物，其中有未经逻辑思维检验的成分，是一些属形象思维的主观想象的东西，以这类成分所发展出来的新结果，恐怕要加倍小心地认定。

二、 量子密钥协商BB-84协议

1984年IBM的Bennett和Brassard）提出的利用量子不可克隆性用来实现一种密钥协商的协议，通称为BB-84协议[10]。它在理论上具有自动监测窜扰，可实现安全密钥协商。由于单量子生成和检测的困难性，以及协商密钥的效率低和实现成本高昂，IBM很快就放弃了这一研究方向。我们很晚才意识到这些问题。

直到上个世纪末，量子计算机将威胁传统密码，才开始注意BB-84协议。在研究生密码讨论班专题讨论了BB-84协议，认清了这一协议主要理论和实现问题。我的一位博士生刘胜利选了无条件安全密钥协商研究方向，毕业论文题目“密码学中信息理论安全的研究”。2000,3去荷兰Eindhoven University of Technology，在导师Henk van Tilborg教授指导下继续研究，2002,2获第二博士学位，毕业论文："Information-Theoretic Secret Key Agreement"。另一位学生李恕海也选了这一方向,于2008年获博士学位,毕业论文题目：“量子密码若干问题研究”。

我们没有做量子试验的条件，只是从信息理论进行分析认知。国内最早从事BB-84协议实现光纤版的是中科大量子研究所郭光灿院士团队的探索工作，即合肥到芜湖的政务网。有幸曾与武大张焕国教授一起到访过该实验室。科大的人文办学环境和学风令我们钦服。

访问中科大量子研究所（2009,06,07）

三、量子密钥协商EPR-91协议

利用量子纠缠现象实现密钥协商的协议简称为EPR-91协议[11]。基于和BB-84协议一样的理由，IBM也很快就放弃了EPR-91协议。

对于量子纠缠传输信息和量子隐性超距传物的看法我们在[21]已摆明。

中科大潘建伟教授的团队一直在大力实践EPR-91协议，有两种出名的版本：光纤版（“京沪干线”）和卫星版（墨子号）。他们大规模的实践结果和IBM的观点并无多大区别。所实现量子密钥协商的成本高昂,而且效益极差！[25]。

对墨子、墨子号的看法请参阅[25]。

2005年12月我们西电（王育民、王新梅、裴昌辛、于晓飞、王莹、李卓、李恕海等）曾有幸同中科大（杨涛、潘建伟、彭承志等）几位老师一起讨论量子和信息技术，科大物理教师介绍量子、量子技术，为我们扫盲，我们介绍通信、信息论和密码与信息安全。这类学术交流对于缩小学科领域间的壁垒是很有益的，但要取得共识并非易事！[31] 

左起：李恕海、彭承志、马怀新、潘建伟、于晓飞、XX参谋、李卓

四、中国科学技术第9次学术论坛——量子密码技术应用基础性研讨会

中国科学技术协会主办、中国密码学和中科院量子信息重点实验室协办的第9次论坛——量子密码技术应用基础性问题研讨会于2010年9月12日在北京召开，这是我国第一次理论物理和信息技术学界一起探讨量子信息的学术会议。郭光灿院士等大力促成了此事，并力促中国密码学会建立量子密码专业委员会，这为不同业界人士彼此交流提供了一个很好的平台。

会上各种不同意见能坦率表述、相互交锋、互相启发、进行探索、相得益彰。

我在会上的报告题目是“我对量子、量子信息和量子密码的困惑与质疑”[17]，提出了我对量子、信息、“量子信息”、“量子信息量度——昆比特”、“量子通信”、“量子密码”等的看法。

五、中科院、中工院2018年会

潘建伟院士受邀在科学院和工程院两会上的专题讲座[13，12]。提出两次“量子革命”说：“第一次已经在20世纪对我们的社会面貌和生活方式产生了巨大影响。可以预期，以量子信息技术为代表的第二次量子革命也一定会带来人类社会物质文明的巨大进步。”

我在[29]反驳了这一错误提法，并在[23]中深入阐述了IT对人类社会发展的重要作用，以及量子科学技术为什么尚不能成气候的理由。批判了后量子密码的伪命题，阐述了信息安全还是要立足于Shannon的信息论和密码理论[1，2，3]，呼吁量子理论研究还是要坚持爱因斯坦的道路[4，18，19，22，24]。

量子通信的基本技术是要能将Shannon的不确定信息载荷到单个量子上，这在技术上还未能突破，能否突破尚不得而知。因此，单量子通信还不存在。密码是在密钥控制下的加、解密变换，要在单量子上实现就更为遥远了。至于数字量子计算机也由于在单个量子上存储和变换不确定信息的技术尚未解决，而遥不可及。现有的所谓量子计算机还都是模拟计算机。

六、要有意志，但不要成为唯意志论者

为什么IBM创先提出BB-84协议和EPR-91协议都很快就被放弃了，而我们花了巨大代价，迟了20多年所认知的这两个协议的基本问题与IBM将其打入冷宫的理由实无太大差别，但对其采取的态度却是完全不同？不但不及早放弃这一劳民伤财的“探索”，反而声言要批量放更多墨子号卫星，组成量子天网，要为整个地球上的人保证信息的绝对安全。所需资金将超过千亿元人民币，这已和强子对撞机所需费用相当了。[25]。

为什么会是这样？原因可能是很复杂的，有多方面的因素，我们难于一一厘清楚，这里只从认知论方面谈点个人管见，供大家讨论。

一个想成就点事业的人一定要意志顽强、富有毅力才能成事。要能认定所选的目标，面对诱惑坚定不移，面对艰难险阻奋战不已，不达目的决不罢休。这是极其可贵的品质，是人生的动力之源。

但是对于意志力和毅力也不能强调得过分，相信意志能战胜一切，将其置于理性之上，认为意志创造世界万物，并且是人生的本质。这就使人坠入唯意志论的可悲境地，从而葬送了自己的一生事业，甚至有人为此付出生命的代价，这类悲剧时有发生，实在令人同情和惋惜！[14]

造成这类悲剧的重要原因是世界观上出了问题，唯意志论属一种主观唯心主义，其主要代表为叔本华、尼采。

世界观是一个人如何认识客观世界和自己的主观世界的问题。人们主要靠大脑的逻辑思维和形象思维来认知世界，用逻辑思维认知就可采用数学模型、逻辑推理、数字仿真等证明我们的认知是否正确，这是科学之路。

但目前有关量子的理论具有两重性，一方面有采用逻辑思维得出的认知结果，另一方面由于实验观测手段匮乏，尚难真实看到或感知到高速运动中的量子，人们的想象力，形象思维就起作用了，其所得到的认知结果不一定靠谱，都还有待于科学认定，其中有些纯属主观的臆测和妄想，恐怕永远不可能得到科学证实[2]。

由于对于量子、信息、“量子信息”、“量子信息量度——昆比特”、“量子通信”、“量子密码”、“量子计算”、“量子计算机”等的认知并非都来自逻辑思维，致使对这些基本概念的理解有许多含糊不清之处，令人费解。但无论如何我们一定要坚持，对经过逻辑思维检验的结果，我们才能大胆地运用，对于有形象思维想象的东西，我们要提高警惕，不能轻易信从。[23]

七、结束语

总结本文主要阐明了如下四点：

1. 原创归属：BB-84量子密钥协商协议和EPR-91量子密钥协商协议都是美国IBM提出来的。

2. 有研在先：IBM对这两个协议都曾在1984和1991年进行了物理实现研究，证明了这两个方案原理是正确的，都可实现密钥协商。

3. 实用性？早期IBM的小规模实验探索的研究结论和二、三十年后我国的大规模、高投入、工程化的探索结果基本是一致的，主要是实现量子密钥协商的成本高昂,而且效益极差！

4. 何去何从？我们在本文第六节已经指出，坚持唯意志论是没有前途的，祭出“量子佛学”和“量子进化论”的大旗也挽救不了“量子密钥协商”的命运。从国内外几十年对量子密钥协商的认知来看,一定要以正确的世界观来认知量子力学，以正确的人生观、以造福世人为目的来发展量子调控技术。这才是研究科学、发展技术的正道沧桑。 

2018年有两件重要政治上的大事令我震撼，一是人大会上进行了史无前例的向宪法宣誓仪式，另一件事就是西安用了4年多的时间都未能解决的秦岭南麓破坏自然环境的别墅问题，通过先从解决政治生态环境入手，顺利拆除了近1200座别墅。这两件大事都是涉及政治生态环境问题，意义重大，影响深远。

发展科学事业和振兴教育事业也是如此，首要的仍然是要构建一个良好的发展科学和从教办学的生态环境。有了自由宽松学术环境，新的思想才会涌现，有创造力的人才才会成长起来，大师级的人物就会多起来。中国的科学才有望走到世界前列，与先进国家和民族相比我们的接班人才能毫不逊色。

最后,对王朝、李晖两位教授表示衷心感谢，他们审读了本文的改稿，并提出了有价值的建议。 

参考文献

1.Shannon, C. E., “A mathematical theory of communication,” Bell System Technical Journal, Technical Journal, Vol.27, No.4, pp.397-423, 623-656, 1948.

2.Shannon, C. E., “Communication theory of secrecy system,” Bell System Technical Journal, Vol.28, No.4, pp.656-715, 1949.

3.Wiener, N., 《控制论——或关于在动物和机器中控制和通信的科学》，1948，美国技术出版社和约翰۰威利父子公司联合出版，中译本之一，郝季仁译，北京大学出版社，2007，12。

4.罗杰۰彭罗斯，《通向实在之路——宇宙法则的完全指南》，王文浩 译，2008，6。

5.曹天元：量子物理史话——上帝掷筛子吗？辽宁教育出版社，2008，9。

6.喀兴林：“量子力学与原子世界”，山西科学技术出版社，2005，6。

7.Anthony Hey and Patrick Walter著（英），新量子世界，雷奕安译，湖南科学技术出版社，2005, 5。英国剑桥大学出版社，2003出版。(2009, 09-10)

8.“量子通信起跑，关键词是超级安全”,《达维财新网》，2015-02-02

9.朱清时：量子意识——现代科学与佛学的汇合处，

10.Bennett, C. H. and Brassard, G. B., Quantum cryptography: public key distribution Bangalore, India, Dec. 10-12, 1984, 175-179.

11.Ekert, A. K., Quantum cryptography based on Bell’s theorem, Phys. Rev. letter, 1991, 67:661-663.

12.凤凰资讯记者采访潘建伟，“量子卫星首席科学家：欢迎基于科学实验的严肃质疑”，凤凰资讯，2016/08/24 18:22:38，

13. 中国科学院院士潘建伟在两院院士大会上进行专题讲座——欢迎来到量子世界。2018年06月07日09:57，中国经济网。

14.韩依民，华裔科学家张首晟发现天使粒子：物理学界80年难题获解，腾讯科技，2017-07-21 08:29

15.雷奕安：究竟什么是量子计算？网上资料。

16.文小刚：信息就是物质，南方 Plus01-14 17:20

17.王育民，我对量子、量子信息和量子密码的困惑与质疑，《中国科学技术第9次学术论坛——量子密码技术应用基础性问题》会的报告。2010,09,12，北京。

18.王育民，感悟认知科学-1：彭罗斯认知模型的启示(2015,12,20)。  

19.王育民，感悟认知科学-2：再议彭罗斯认知模型(201601-201609) ，。

20.王育民，信息论对社会信息化的作用——纪念Shannon百年诞辰，内部报告，2016年2-3月。

21.王育民，《量子妄想曲》，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。

22.王育民，报告集-17.对信息化社会发展历程的认知——（提纲），（201801-04），《王育民教授自选文集稿》报告集篇。

23.王育民，感悟认知科学-8：为什么量子技术成气候竟这样难？(20180728) ，尚未发表。

24.王育民，感悟认知科学-9：信息表示编码理论新进展（2018, 9, 6) ，尚未发表。

25.王育民，感悟认知科学-12：对“关于潘建伟院士团队卫星QKD 实验的若干问题”一文的讨论（2019,03,22-26）

26.王育民，偶感录-12：量子计算和量子信息（札记）(200601002-20071108)

27.王育民，偶感录-45：读朱清时“物理学步入禅境：缘起性空”（2014, 03, 12）

28.王育民，偶感录-58：读《姚期智：量子计算机已走上“最后一公里”》有感。(2017, 11, 07)

29.王育民，偶感录-61：受宠、受捧者戒——读潘建伟在两会上的专题讲座有感(20180610)。

30.王育民，偶感录-62：读《雷奕安：究竟什么是量子计算？》偶感。(2019,01,06)

31.王育民，偶感录-63：读文小刚院士：“信息就是物质”有感。(2019,01,20-22)