量子密码中的哲学思想

1、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

2、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

3、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

4、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

5、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:一个封闭量子系统的演化可以由一个酉变换来刻画。公设: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

6、验中可能的测量结果。公设: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-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

7、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:A B h / 4 (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

8、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: 主、客体的关系 (“区分度” ; 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

9、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

10、。 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, 建立描述测量过程的一般理论 (物理学方面 。 总之, 宇

11、宙并不因我们的观测而存在, 人类实践活动 的存在才有科学的存在, 科学反映的自然是人化的自然。 所以建立起既有自然地 位,又有人的主观能动作用的量子测量理论及解释是非常重要的。3. 非定域性非定域性 (即量子非定域性 可定义为:在量子相干尺度内, 一个微观系统的 性质不仅与所在局域的时空性质有关, 而且也与另一处于类空间隔的微观系统的 性质或时空的性质有关。这意味着,如果两个微观系统之间具有量子非定域性, 那么这两个微观系统之间可能有相互作用, 也可能没有相互作用, 但一定有某种 相互关联, 关联的具体方式需要自然科学的详尽研究。 非定域性反映的是微观事 物之间的关联的一种性质。下面就关联型非

12、定域性讨论其哲学意义。1 微观事物以非定域方式存在,非定域性是微观物质的根本性质。非定域 性具有实在性、 独立性与转移性, 它可以创生, 也可以消灭。 非定域性的实在性 体现在波函数之中。 波函数描述了量子实在。 从薛定谔波动方程来看, 波函数的 演化具有因果性, 但实质上波函数具有非定域性。 当人们对一个粒子的空间波函 数进行某种测量时, 测量坍缩将导致空间波函数的改变。 这是涉及整个空间分布 的改变, 而不是局域的变化和局域变化在空间中的传播。 可以认为, 当量子纠缠 确认为一种客观性关联, 并且作为量子算法和量子计算的根本性基础时, 有关波 函数的实在性论争就应当告一段落了;波函数就是微

13、观实在与量子信息的统一, 波函数表达的几率波的实在性质不同于经典力学的粒子和波的实在性质。 量子非 定域性的实在性也表现在量子算法与量子计算之中。 从量子算法与量子计算来看, 波函数 (或几率幅 都具有物理实在的意义,波函数描述了微观物质 (量子系统 的状态和运动 (演化 性质, 微观客体的运动具有可逆性。 量子计算充分利用了微 观物质的非定域性。 微观物质非定域性表明, 微观客体既在这里, 又在那里, 这 是量子并行计算的根本基础, 它不同于经典计算机的并行计算。 这充分体现了亦 此亦彼的辩证逻辑。非定域性反映了微观客体之间的一种超越外部时空的联系, 非定域性有不同的关联程度差别。 对于非定

14、域关联, 其实质是纠缠。 对量子纠缠 程度的度量就是纠缠度。 如果我们把量子纠缠作为非定域关联的实质, 那么, 非 定域关联就具有独立性与转移性。2 非定域性揭示出量子信息具有独立的哲学意义:量子信息不同于微观物 质, 也不同于经典信息。 量子信息是指在量子相干长度之内所展示的微观事物运 动的量子状态与关联方式。 量子信息基于非定域关联, 明显不同于经典信息。 量 子信息是微观物质的属性, 不是量子实在, 而是作为量子实在的状态、 关联、 变 化、 差异的表现。 物质不能被创生和消灭, 经典信息可以被创造和消灭, 而量子 信息可以被创造但不能被完全消灭。 经典信息的传递不可能超光速, 但是,

15、量子 信息的传递是超光速的。3非定域性揭示了微观事物存在内部时空;内部时空具有生成性,它不同 于外部时空。 量子非定域性意味着微观世界存在内部时空。 在量子力学中, 完备 本征函数形成了希尔伯特空间 (即内部时空 , 微观粒子是由希尔伯特空间决定的。 我们把不是普通三维空间的坐标或变量, 叫做粒子的内禀变量或内部变量。 所谓 内禀或内部, 是指微观粒子本身与普通三维空间中的运动没有关系。 普通的三维 空间与一维时间就是外部时空。 内部时空具有生成性和过程性。 不同的测量性质 有不同的完备本征函数, 也就会有不同的内部时空。 即是说, 不同的测量会生成 不同的内部时空。 内部时空不同于外部时空。

16、 事物既可以在外部时空运动, 也可 以在内部时空运动。在一定条件下,外部时空可以反映内部时空的状态。比如,斯特恩 -盖拉赫实验表明了自旋的存在,即从原子的空间分布读出内部状态自旋 的存在。 内部时空决定了量子非定域性或量子纠缠。 内部时空是微观客体存在的 形式, 它反映了微观事物的内部性质, 它遵从海森堡不确定性原理, 因而不能用 外部时空去度量内部时空。 而外部时空是宏观客体存在的形式, 符合相对论光锥 规范。内部时空丰富了时空存在的形式,它将是对经典外部时空 (牛顿时空与爱 因斯坦的相对论时空 的重大时空革命。综上, 从经典时空来看, 非定域性并没有抛弃实体实在概念, 也没有支持关 系实在的终极性。 从量子时空来看, 波函数或几率幅就是一个反映事件或过程的 存在。事件的连续运动形成了事物的过程,过程成为量子力学最为重要的概念。 恩格斯早就说过:“世界不是既成事物的集合体, 而是过程的集合体” 。 过程哲 学完全是一种新视角和新范式。 它坚持过程就是实在, 实在就是过程。 从过程角 度来看, 一切存在物都不是静止不动的, 也不是一成不变的, 而是处于永不停止 的生成和发展过程之中。从上述分析量子密码学中的哲学思想中可以看出:哲学为自然科学提供世界 观和方法论的指导, 哲学对科学的产生和发展有着非常重要的本源性作用。 自然 科学是哲学的基础,