量子通讯和量子纠缠通讯的区别：量子通讯中的科学原理

量子通讯是近几年比较热门的词，全球首颗量子通信科学实验卫星墨子号，也于2016年8月16日升空，这篇文章就让我们来了解一下量子通信的基本原理。

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传统通讯

从古至今，通讯都是一项关于国家命运的大事，古时候用飞鸽传书，缺点在于通讯不及时；近代用电报来传输信息，解决了传输速度问题，但是在安全性上又带来新的考验。

你用电报发送信息时，信息会被窃听者截获，这时候就需要对信息进行加密，比如我们要传输信息“314159”，就可以先和接收方约定加密方式：

密文：M；

明文：N；

加密方式：N=M*15-25；

发送方要传递密文M=314159，先经过加密得到明文N：

N=314159*15-25=4712360；

接收方得到明文N后，根据反运算M=（N 25）/15，就可以解码出密文M，只要窃听者不知道加密方式，就无法得到密文。

实际的加密方式要复杂很多，尤其是在战争时期，信息的加密和破译，成为非常重要的敌后战场，从简单的移位法、替代法，逐步发展成为更高级的对称算法和非对称算法。

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加密方法

在数学中，我们把两个大的质数相乘很容易，但是在不知道其中一个因子的情况下，要分解一个大数相当难，于是我们就可以利用这种算法复杂程度的不对称，来设计加密密钥和解密密钥。

如果加密密钥和解密密钥一样，称作对称加密；如果两者不一样，其中加密密钥可以公开（公钥），就称作非对称加密；现代网络中常用的RSA算法，就是一种非对称加密算法，安全性依赖于大数分解难度。

这样的加密方式，理论上可以达到很高的安全性，但并非不可破解，安全性方面的缺点如下：

缺点一：信息发送方首次把解密密钥送到接收方时，窃听者有可能在双方不察觉的情况下，窃取双方的解密密钥，也就是密钥分发不安全，解决办法一般是使用数字签名；

缺点二：难以做到一文一密，一旦解密密钥被破解，那么所有信息都将泄露，目前的解决办法，就是不断增加大数数位，来增加暴力破解的难度；

随着量子计算机的发展，人们发现量子计算机的并行计算能力，可以轻易攻破传统加密方式；比如传统计算机要分解一个512位的大数需要上万年，但是一个2000量子比特的量子计算机只要几秒钟。

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量子通信

如果使用量子通信，就可以彻底解决密钥分发和一文一密的问题，而且量子力学的基本原理，可以保证量子通信的绝对安全。

在了解量子通信之前， 我们先来了解量子纠缠现象，量子力学正统诠释指出，处于纠缠态的粒子，无论相距多远，都保持着某种联系，直到我们观察其中一个粒子时，两个粒子会随机坍缩成单一态。

这点已经被众多实验所证实，比如贝尔实验、延迟选择实验等等，然后我们就可以根据这一原理，设计出一套完美无缺的通讯方式。

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BB84协议

1984年，两位科学家Bennett和Brassard，联合提出了世界上第一个量子密钥分发协议——BB84协议，此后拉开了量子加密实用化的进程。

经典比特使用光子的有无来表示信息，比如有光子表示“1”，没有光子表示“0”；在量子比特中，我们可以使用光子的偏振方向来表示信息；BB84协议设计两套编码，共四种状态，如下图：

信息接收方有两种测量基（偏振片），如果用偏振片1测量编码1，光子的偏振方向不会发生改变，同样我们用偏振片2测量编码2时，光子的偏振方向也不会改变。

如果我们选错了测量基，比如用偏振片1测量编码2，或者用偏振片2测量编码1时，那么根据量子力学原理：偏振片和光子偏振方向呈45°角时，穿过偏振片的光子将随机变为另外一套编码的偏振方向，各有50%的概率为“0”或者“1”。

比如发送方给接收方一组纠缠光子，然后接收方随机选择一组偏振片，对每个光子进行测量；根据量子纠缠原理，发送方和接收方的纠缠光子，在测量的一瞬间，随机塌缩成单一态。

这就会出现两种情况：

（1）对于每一个纠缠光子，如果接收方选取了正确的偏振片，那么双方得到的光子偏振方向是一样的；

（2）如果接收方选取了错误的偏振片，那么接收方的光子偏振方向就会发生变化，并随机变为“1”或者“0”；

这时候双方就要沟通了，接收方利用传统信道告诉发射方，他对每个光子使用了何种类型的偏振片来观察，这个信息不怕被窃听者知道，可以完全公开。

由于发射方知道每对纠缠光子的正确偏振方向，所以发射方也就知道接收方的哪些偏振片方向是正确的，以及哪些光子发生了随机变化，然后利用传统信道告诉接收方哪些偏振片是错误的需要剔除，最后只留下正确的光子。

留下来的光子，就可以作为量子通信的密钥，这就是BB84协议中密钥分发的过程；如果窃听者想要进行窃听，就需要同时知道传统公开信道的所有信息，以及量子信道信息。

前者是可以完全公开的，但是量子信道的信息，是通过量子纠缠传送的随机信息，第三者无法获取，甚至第三者连窃听的渠道都没有，因为量子纠缠是超距行为，不需要实体的传输通道。

第三者还有一个窃听办法，就是在发射方给接收方发送纠缠光子时，窃听者可以在中途截取纠缠光子，但是窃听者也不知道偏振片的正确方向，于是他对纠缠光子的测量，必定造成纠缠光子的波包塌缩，从而导致发射方和接收方的误码率异常。

可以计算出，每个光子的正常误码率为25%（50%选错测量基*50%“0”和“1”随机塌缩），一旦纠缠光子在中途被第三者窃听，接收方的误码率就会达到50%，最终导致接收方的信息无法正确解码。

也就是说，窃听者每窃取一个量子比特信息，被发现的概率就是25%；窃取50个时，被发现的概率高达1-（1-25%）^50=99.97%，在实际当中，信息的传递都是每秒几亿以上的量子比特。

所以量子密钥分发只要被窃听，就肯定会被发现，然后双方丢掉被窃听的信息，重新建立量子通信信道，直到不被窃听为止。

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在传统通讯当中，窃听者可以截取经典信息后，再给接收方发送信息，让接收方误以为信息是从发送方来的，从而达到秘密窃听的效果；但是这一方法在量子通信中失效了， 因为“量子不可克隆原理”的存在，使得窃听者无法在不影响原光子的情况下，去克隆发射方发出的纠缠光子，这是物理定律不允许的。

于是，量子通信中的密钥分发，可以达到绝对的安全，在2001年，理想的BB84协议被证明无条件安全，而且量子通信可以做到一文一密，也就是说我们要传输1024Kb的信息，就至少需要使用1024Kb的量子密钥。

从原理可以看出，BB84协议本质上解决的是密钥分发问题，并非利用量子纠缠传递有效信息；量子通信利用量子密钥去加密信息，信息经过传统信道分发给对方，对方再通过量子密钥解开加密信息。

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整个过程中，有效信息的传递依赖于量子信道和传统信道，量子密钥的传递速度可以看成量子纠缠速度，也就是超光速的（量子纠缠的瞬时性），但是量子密钥是随机的，不包含任何有效信息。

只有全部拿到了传统信道信息和量子信道信息，才能解码双方要传递的信息，所以有效信息的传递速度取决于传统信道，整个过程并没有违背相对论的光速不变原理。

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对于BB84协议，理想情况是不可破译的，但实际当中很难达到理想情况；比如量子通信要求发射方是单光子源，接收方也是单光子探测器，纠缠光子的传送通道还不能受干扰。

在目前技术下，还远远达不到理想条件，只能采取一些退让措施，比如用弱相干光代替单光子源，使用大量纠错码或者只在夜间实验来提高抗干扰能力等等，这就有可能带来新的漏洞，变成猫捉老鼠的游戏。

BB84协议只是量子通信中的一种协议方式，要实现起来非常困难，但是通过BB84协议，我们可以看到量子通信的潜力是非常大的；现在“猫”还没长大而已，等哪天“猫”长大了，老鼠自然就不存在了！

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