量子通信是近幾年比較熱門的詞，全球首顆量子通訊科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星墨子號(hào)，也于2016年8月16日升空，這篇文章就讓我們來(lái)了解一下量子通訊的基本原理。
傳統(tǒng)通信
從古至今，通信都是一項(xiàng)關(guān)于國(guó)家命運(yùn)的大事，古時(shí)侯用飛鴿傳書，缺點(diǎn)在于通信不及時(shí)；近代用電報(bào)來(lái)傳輸信息，解決了傳輸速率問(wèn)題，并且在安全性上又帶來(lái)新的考驗(yàn)。
你用電報(bào)發(fā)送信息時(shí)，信息會(huì)被監(jiān)聽(tīng)者查獲，這時(shí)侯就須要對(duì)信息進(jìn)行加密，例如我們要傳輸信息“”，就可以先和接收方約定加密方法：
密文：M；
明文：N；
加密方法：N=M*15-25；
發(fā)送方要傳遞密文M=，先經(jīng)過(guò)加密得到明文N：
N=*15-25=；
接收方得到明文N后，按照反運(yùn)算M=（N+25）/15，就可以解碼出密文M，只要監(jiān)聽(tīng)者不曉得加密方法，就難以得到密文。
實(shí)際的加密方法要復(fù)雜好多，尤其是在戰(zhàn)爭(zhēng)時(shí)期，信息的加密和破譯，成為特別重要的敵后戰(zhàn)場(chǎng)，從簡(jiǎn)單的移位法、替代法，逐漸發(fā)展成為更中級(jí)的對(duì)稱算法和非對(duì)稱算法。
加密方式
在物理中，我們把兩個(gè)大的素?cái)?shù)相加很容易，而且在不曉得其中一個(gè)因子的情況下，要分解一個(gè)大數(shù)相當(dāng)難，于是我們就可以借助這些算法復(fù)雜程度的不對(duì)稱，來(lái)設(shè)計(jì)加密秘鑰和揭秘秘鑰。
假如加密秘鑰和揭秘秘鑰一樣，也稱對(duì)稱加密；倘若三者不一樣，其中加密秘鑰可以公開(kāi)（私鑰），就叫做非對(duì)稱加密；現(xiàn)代網(wǎng)路中常用的RSA算法，就是一種非對(duì)稱加密算法，安全性依賴于大數(shù)分解難度。
這樣的加密方法，理論上可以達(dá)到很高的安全性，但并非不可破解，安全性方面的缺點(diǎn)如下：
缺點(diǎn)一：信息發(fā)送方首次把揭秘秘鑰送到接收方時(shí)，監(jiān)聽(tīng)者有可能在雙方不察覺(jué)的情況下，盜取雙方的揭秘秘鑰，也就是秘鑰分發(fā)不安全，解決辦法通常是使用數(shù)字簽名；
缺點(diǎn)二：無(wú)法做到一文一密，一旦揭秘秘鑰被破解，這么所有信息都將竊取，目前的解決辦法，就是不斷降低大數(shù)數(shù)位，來(lái)降低暴力破解的難度；
隨著量子計(jì)算機(jī)的發(fā)展，人們發(fā)覺(jué)量子計(jì)算機(jī)的并行估算能力，可以輕易擊潰傳統(tǒng)加密方法；例如傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)要分解一個(gè)512位的大數(shù)須要上萬(wàn)年，并且一個(gè)2000量子比特的量子計(jì)算機(jī)只要幾秒鐘。
量子通訊
假如使用量子通訊，就可以徹底解決秘鑰分發(fā)和一文一密的問(wèn)題，但是量子熱學(xué)的基本原理，可以保證量子通訊的絕對(duì)安全。
在了解量子通訊之前，我們先來(lái)了解量子糾纏現(xiàn)象，量子熱學(xué)正統(tǒng)展現(xiàn)強(qiáng)調(diào)，處于糾纏態(tài)的粒子，無(wú)論相距多遠(yuǎn)，都保持著某種聯(lián)系，直至我們觀察其中一個(gè)粒午時(shí)，兩個(gè)粒子會(huì)隨機(jī)坍縮成單一態(tài)。
這點(diǎn)早已被諸多實(shí)驗(yàn)所否認(rèn)，例如貝爾實(shí)驗(yàn)、延遲選擇實(shí)驗(yàn)等等，之后我們就可以按照這一原理，設(shè)計(jì)出一套完美無(wú)缺的通信方法。
BB84合同
1984年，兩位科學(xué)家和，聯(lián)合提出了世界上第一個(gè)量子秘鑰分發(fā)合同——BB84合同，隨后拉開(kāi)了量子加密實(shí)用化的進(jìn)程。
精典比特使用光子的有無(wú)來(lái)表示信息，例如有光子表示“1”，沒(méi)有光子表示“0”；在量子比特中，我們可以使用光子的偏振光方向來(lái)表示信息；BB84合同設(shè)計(jì)兩套編碼，共四種狀態(tài)，如右圖：
信息接收方有兩種檢測(cè)基（偏振光片），假如用偏振光片1檢測(cè)編碼1，光子的偏振光方向不會(huì)發(fā)生改變，同樣我們用偏振光片2檢測(cè)編碼2時(shí)，光子的偏振光方向也不會(huì)改變。
假如我們選錯(cuò)了檢測(cè)基，例如用偏振光片1檢測(cè)編碼2，或則用偏振光片2檢測(cè)編碼1時(shí)，這么依照量子熱學(xué)原理：偏振光片和光子偏振光方向呈45°角時(shí)，穿過(guò)偏振光片的光子將隨機(jī)變?yōu)榱硗庖惶拙幋a的偏振光方向，各有50%的機(jī)率為“0”或者“1”。
例如發(fā)送方給接收方一組糾纏光子，之后接收方隨機(jī)選擇一組偏振光片，對(duì)每位光子進(jìn)行檢測(cè)；按照量子糾纏原理，發(fā)送方和接收方的糾纏光子，在檢測(cè)的剎那間，隨機(jī)塌縮成單一態(tài)。
這都會(huì)出現(xiàn)兩種情況：
（1）對(duì)于每一個(gè)糾纏光子，假如接收方選定了正確的偏振光片，這么雙方得到的光子偏振光方向是一樣的；
（2）假如接收方選定了錯(cuò)誤的偏振光片，這么接收方的光子偏振光方向都會(huì)發(fā)生變化，并隨機(jī)變?yōu)椤?”或者“0”；
這時(shí)侯雙方就要溝通了，接收方借助傳統(tǒng)信道告訴發(fā)射方，他對(duì)每位光子使用了何種類型的偏振光片來(lái)觀察，這個(gè)信息不怕被監(jiān)聽(tīng)者曉得，可以完全公開(kāi)。
因?yàn)榘l(fā)射方曉得每對(duì)糾纏光子的正確偏振光方向，所以發(fā)射方也就曉得接收方的什么偏振光片方向是正確的，以及什么光子發(fā)生了隨機(jī)變化，之后借助傳統(tǒng)信道告訴接收方什么偏振光片是錯(cuò)誤的須要剔除，最后只留下正確的光子。
留出來(lái)的光子，就可以作為量子通訊的秘鑰，這就是BB84合同中秘鑰分發(fā)的過(guò)程；假如監(jiān)聽(tīng)者想要進(jìn)行監(jiān)聽(tīng)，就須要同時(shí)曉得傳統(tǒng)公開(kāi)信道的所有信息，以及量子信道信息。
后者是可以完全公開(kāi)的，并且量子信道的信息，是通過(guò)量子糾纏傳送的隨機(jī)信息，第二者未能獲取量子傳輸技術(shù)，甚至第二者連監(jiān)聽(tīng)的渠道都沒(méi)有，由于量子糾纏是超距行為，不須要實(shí)體的傳輸通道。
第二者還有一個(gè)監(jiān)聽(tīng)辦法，就是在發(fā)射方給接收方發(fā)送糾纏光午時(shí)，監(jiān)聽(tīng)者可以在中途截取糾纏光子，并且監(jiān)聽(tīng)者也不曉得偏振光片的正確方向，于是他對(duì)糾纏光子的檢測(cè)，必將導(dǎo)致糾纏光子的波包塌縮，進(jìn)而造成發(fā)射方和接收方的誤分辨率異常。
可以估算出，每位光子的正常誤分辨率為25%（50%選錯(cuò)檢測(cè)基*50%“0”和“1”隨機(jī)塌縮），一旦糾纏光子在中途被第二者監(jiān)聽(tīng)，接收方的誤分辨率都會(huì)達(dá)到50%，最終造成接收方的信息未能正確解碼。
也就是說(shuō)，監(jiān)聽(tīng)者每泄露一個(gè)量子比特信息，被發(fā)覺(jué)的機(jī)率就是25%；泄露50個(gè)時(shí)，被發(fā)覺(jué)的機(jī)率高達(dá)1-（1-25%）^50=99.97%，在實(shí)際當(dāng)中量子傳輸技術(shù)，信息的傳遞都是每秒幾億以上的量子比特。
所以量子秘鑰分發(fā)只要被監(jiān)聽(tīng)，就肯定會(huì)被發(fā)覺(jué)，之后雙方扔掉被監(jiān)聽(tīng)的信息，重新構(gòu)建量子通訊信道，直至不被監(jiān)聽(tīng)為止。
在傳統(tǒng)通信當(dāng)中，監(jiān)聽(tīng)者可以截取精典信息后，再給接收方發(fā)送信息，讓接收方誤以為信息是從發(fā)送方來(lái)的，因而達(dá)到秘密監(jiān)聽(tīng)的療效；并且這一方式在量子通訊中失效了，由于“量子不可克隆原理”的存在，促使監(jiān)聽(tīng)者難以在不影響原光子的情況下，去克隆發(fā)射方發(fā)出的糾纏光子，這是數(shù)學(xué)定理不容許的。
于是，量子通訊中的秘鑰分發(fā)，可以達(dá)到絕對(duì)的安全，在2001年，理想的BB84合同被證明無(wú)條件安全，但是量子通訊可以做到一文一密，也就是說(shuō)我們要傳輸?shù)男畔ⅲ推鸫a須要使用的量子秘鑰。
從原理可以看出，BB84合同本質(zhì)上解決的是秘鑰分發(fā)問(wèn)題，并非借助量子糾纏傳遞有效信息；量子通訊借助量子秘鑰去加密信息，信息經(jīng)過(guò)傳統(tǒng)信道分發(fā)給對(duì)方，對(duì)方再通過(guò)量子秘鑰解開(kāi)加密信息。
整個(gè)過(guò)程中，有效信息的傳遞依賴于量子信道和傳統(tǒng)信道，量子秘鑰的傳遞速率可以看成量子糾纏速率，也就是超光速的（量子糾纏的瞬時(shí)性），然而量子秘鑰是隨機(jī)的，不包含任何有效信息。
只有全部領(lǐng)到了傳統(tǒng)信道信息和量子信道信息，能夠解碼雙方要傳遞的信息，所以有效信息的傳遞速率取決于傳統(tǒng)信道，整個(gè)過(guò)程并沒(méi)有遵守相對(duì)論的光速不變?cè)怼?span style="display:none">kBT物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))
對(duì)于BB84合同，理想情況是不可破譯的，但實(shí)際當(dāng)中很難達(dá)到理想情況；諸如量子通訊要求發(fā)射方是單光子源，接收方也是單光子偵測(cè)器，糾纏光子的傳送通道還不能受干擾。
在目前技術(shù)下，還遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到理想條件，只能采取一些謙讓舉措，例如用弱相干光取代單光子源，使用大量糾錯(cuò)碼或則只在夜晚實(shí)驗(yàn)來(lái)增強(qiáng)抗干擾能力等等，這就有可能帶來(lái)新的漏洞，弄成貓捉老鼠的游戲。
BB84合同只是量子通訊中的一種合同形式，要實(shí)現(xiàn)上去十分困難，而且通過(guò)BB84合同，我們可以看見(jiàn)量子通訊的潛力是十分大的；如今“貓”還沒(méi)長(zhǎng)大而已，等哪天“貓”長(zhǎng)大了，老鼠自然就不存在了！
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