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。


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。

量子通讯和量子纠缠通讯的区别:量子通讯中的科学原理(1)

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。


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;

量子通讯和量子纠缠通讯的区别:量子通讯中的科学原理(2)

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。


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。

量子通讯和量子纠缠通讯的区别:量子通讯中的科学原理(3)

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。


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:

量子通讯和量子纠缠通讯的区别:量子通讯中的科学原理(4)

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”。

量子通讯和量子纠缠通讯的区别:量子通讯中的科学原理(5)

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。

量子通讯和量子纠缠通讯的区别:量子通讯中的科学原理(6)

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。

量子通讯和量子纠缠通讯的区别:量子通讯中的科学原理(7)

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。

量子通讯和量子纠缠通讯的区别:量子通讯中的科学原理(8)

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。

量子通讯和量子纠缠通讯的区别:量子通讯中的科学原理(9)

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。


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。

量子通讯和量子纠缠通讯的区别:量子通讯中的科学原理(10)

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。

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。

量子通讯和量子纠缠通讯的区别:量子通讯中的科学原理(11)

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。


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。

量子通讯和量子纠缠通讯的区别:量子通讯中的科学原理(12)

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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