量子密码中的哲学思想

量子密码学中的哲学思想浅谈

田国敬

（自然辩证法1班网络技术研究院网络安全中心密码学2011111695）

摘要：量子密码学是量子力学与密码学结合产生的一门新的前沿学科，它具有传统密码学无可比拟的奇特的性质。本文在简要介绍客观理论的基础之上，从哲学的角度论述了量子密码学中由基本公设、测不准原理以及非定域性所引起的基本哲学问题。

关键词：量子密码学哲学测不准原理非定域性

人类对于自然的探讨可以在自然科学和哲学这两个不同的层次上来进行。科学在本质上是由普遍性原理组成的，这些原理不等于一些观察实验的事实的直接陈述，而是由这些直接的事实上升到普遍原理性的原则，这依赖者某种哲学思维的观念、规则和方式。任何一门科学的发展都隐藏着某种哲学的关联在其中，密码学亦不例外。

密码学是研究密码编码学和密码分析学的一门技术科学。研究密码变化的客观规律，应用于编制密码来保护通信中的信息安全的，称为密码编码学；应用于破译密码来获取通信情报的，称为密码分析学，将两者统称为密码学。、最早期的简单密码出现在无计算机时代的古希腊斯巴达人身上，他们利用在今天看来简单易行的方法实现种种保密信息的安全传输，诸如将秘密信息写在信使的头皮上，待信使的头发长出之后在派遣其传送等等。后来随着数学理论的日益发展与渐进完善，人们利用复杂的数字串之间的变化与转换对其要发送的信息进行加密处理。直到近代，计算机的出现使得破解简单变换的数学密码易如反掌，这促使人们追求更加多元化的密码加密方式，现如今的本地加密方式有：硬件加密与软件加密，而在软件加密方面又分为：MD5加密、ASP加密和自编加密。虽是如此，但由于现在的各种计算机密码均是以数学理论为基础的，只要信息在网络传输中被恶意用户窃听或是中途拦截后，加之使用恰当的方法，所有的密码都可以被破译，而不会留下关于窃听者的任何痕迹。也就是说，计算机技术的发展在使密码编码更为复杂的同时，也加速了密码分析的进程。进而，各国的科研人员开始转向其他方面寻找较数字密码更为安全、更为坚固的密码，以求从本质上来保证通信中的信息安全。

事实证明，量子密码就是这样一种可以从本质上保证通信安全的新型密码。与传统密码学不同，量子密码学是以量子力学理论为基础，利用物理方法实现的密码系统。它要求通信双方以量子态为信息载体，利用量子力学基本原理，通过量子信道进行传输，在保密通信双方之间建立共享的安全密钥。它通过光子实现信息的传输，无电磁窃听的问题；具有无条件安全性；能够检测攻击者的存在与否；能够解决Catch 22（保证密钥安全）的问题。于是由量子密钥的不可窃听性和一次一密的不可破译性，量子密码体制实现了真正的无条件安全的保密通信，这也使得量子密码体制成为密码学发展的必然！

量子密码学是量子力学与密码学结合的产物，是量子力学的惊人性质让密码学实现了前所未有的绝对安全。对于这一实现过程，我们并不旨在专业分析，而是从简要分析结合哲学理解的角度做一说明。

1.从基本假设说起

公认的量子力学的整个理论框架，建立在下述四条公设的基础上：

公设I：任一孤立物理系统都有一个称为系统状态空间的复内积向量空间（即Hilbert空间）与之相联系，系统完全由状态向量所描述，这个向量是系统状态

空间的一个单位向量。

公设Ⅱ：一个封闭量子系统的演化可以由一个酉变换来刻画。

公设Ⅲ：量子测量由一组测量算子描述，这些测量算子作用在被测系统状态空间上，有固定的指标表示实验中可能的测量结果。

公设Ⅳ：复合物理系统的状态空间是分物理系统状态空间的张量积。

公设I-Ⅳ是目前物理学家们所掌握和运用的全部量子力学(不包括测量理论)的出发点。如果说，在公理化体系明确建立之前，对量子力学解释的百花齐放局面的出现，反映了物理学家的各种个人信仰和习惯的话，那么，在上述公理化体系建立起来之后，像别的已经成熟的物理学理论一样，量子力学的一种起码的解释，便被唯一地确定下来了。这种起码的解释，就是量子力学的统计(系综)解释。然而，承认这种唯一性，并不封闭对理论在更深层次上的探讨，或者做进一

步的哲学反思的道路。理论的历史演进，离不开哲学思维的评判。这种活跃的哲学评判是逾越现实和僵局的无形之翅膀。下面分别从以下几个方面来谈谈对量子力学的哲学思考。

2.测不准原理与量子测量

测不准关系即海森堡不确定关系，是量子力学中的一条重要原理。1927年海森堡在研究微观粒子波粒二象性的基础上，提出了这一原理：ΔAΔB ≥ h / 4π (其中A、B表示两个不对易的物理量)。它表明：在一次测量中，对微观客体两个不对易的物理量，一个测量得越精确，另一个必然测得越不精确。如对粒子的位置测量得越精确，那么对于它的动量(或速度)的测量就越不精确，即它们是不可能同时准确地被测量的。对于能量和时间等不对易的量也是如此。为何在微观世界中对于一些不共轭的力学量的测量会不同于宏观世界，存在着测不准关系这种同宏观世界不协调的特殊性？由此引起了广泛的争议。哥本哈根学派(下简称“哥派”)强调的测量相互作用，肯定仪器这一头的决定地位，这自然导致了认识论上的两个带根本性的问题：①主、客体的关系(“区分度”)；②仪器的可信赖性(“信度”)。哥派从过分夸大主体在认识客体时的相互作用，走向在很大程度上抛弃科学认识的客观标准。为量子论的神秘主义解释提供契机。1935年，薛定谔在一篇著名的论文中，利用一个“薛定谔猫”的理想实验，对这种测量理论的悖论结果进行了生动地描述与说明。要解决这一问题，持量子论的唯物主义解释是有益的，量子系统在与测量仪器发生相互作用之前就存在一个实际的状态(由波函数规定)，仪器只是反映了这一状态，而不是创造“幻影”，实在在系统中一直都存在着。当然仪器的“仪度”问题并非如此简单。事实上，每个微观客体自身，其波性与粒性、波性与波性、粒性与粒性之间必然产生“多角互扰”。微观客体内在的这种既相互依存又相互排斥的特殊矛盾性的运动构成了微观客体的本质的动力学特征(动量，能量)同它所表现的宏观运动学特征(空间，时间)的不相容，呈现随机性，不确定性。因此，可以认为超越对立面的“波粒二象性”是测不准关系的内在根据。按量子力学规则，一个量子系统若是孤立的。其随时间的演化可用么正算符来描述。当测量发生时，仪器的侵入导致波函数出现“非幺正跃变”。这一“神秘”的波函数“收缩”既不能从量子论的物理定律推导出来，也不能说明它们是如何发生的，所以在公认的量子力学解释中，将“波包塌缩”作为测量公设(如冯、诺意曼的量子力学)。“波包塌缩”不仅是物理问题，而且是认识论问题。解决此问题，应包括两个方面：一是解决和阐明经典物理与量子物理概念的继承性，以克服量子概念与对量子客体进行测量的表述结果的概念相脱节(认识论方面)；二是探索“波包塌缩”的物理参数，建立描述测量过程