量子通信是一種全新的通信方式，它利用了光子等粒子的量子力學(xué)特性來進(jìn)行**信息傳遞，是未來**通信的核心要素。本文以淺顯易懂的語言介紹了量子通信的相關(guān)知識，并給出了經(jīng)典的BB84協(xié)議的圖解，可以幫助讀者很好地了解量子通信技術(shù)。
假如您沒有學(xué)習(xí)過相關(guān)內(nèi)容，也大可不必看到量子力學(xué)四個字就開始發(fā)怵，實際上要理解量子通信技術(shù)，并不需要多深的理論知識，只要我們接受并認(rèn)同幾個科學(xué)結(jié)論即可。《莊子·天下》有云：“一尺之捶，日取其半，萬世不竭”。同樣，在古代西方也有類似的芝諾悖論：擅于奔跑的阿基里斯神卻永遠(yuǎn)追不上在他前面起跑的烏龜，因為在他跑到烏龜現(xiàn)在的位置時烏龜必定已經(jīng)跑到了一個新的位置。這兩個故事所隱喻的道理都是事物的無限可分性：莊子說的是長度的無限可分，芝諾說的是時間的無限可分。不過量子力學(xué)告訴我們，事物是不能無限可分下去的，這就是理解量子通信技術(shù)所需要知道的**個知識點，什么是量子？量子力學(xué)表示，一個物理量如果存在*小的不可分割的基本單位，那么這個物理量就是量子化的，并把這個*小單位稱為量子。后面我們提到的光子就是光量子的簡稱，只需要簡單的認(rèn)為光子是光線中攜帶能量的基本粒子即可。接下來根據(jù)我們小學(xué)三年級就學(xué)過的知識就知道，光是一種電磁波，而且是橫波，它的振動方向與前進(jìn)方向是不一致的，這種現(xiàn)象叫做偏振。一般把這兩個方向構(gòu)成的平面叫做振動面，光也被稱為平面偏振光或線偏振光，而且我們有辦法改變和測量偏振光的方向，是時候配個圖啦：
*后還需要接受四條量子力學(xué)定律，讓我用不夠嚴(yán)謹(jǐn)?shù)珔s淺顯的語言來描述一下：
量子力學(xué)表示，你不可能同時測量準(zhǔn)確一個微觀粒子的某些物理量，比如位置和速度。這與我們對宏觀世界的認(rèn)知完全不同，我們很容易測量出一個人準(zhǔn)確的身高和體重，當(dāng)然對某些明星除外，可能全都測不準(zhǔn)。
多利羊是可以克隆出來的，但是量子不行。在本文中，只需要簡單地理解為沒有任何方法可以克隆出與某個光子完全一致的另一個光子即可。
前面你都接受了，這個就更簡單了，只需要理解為光子為*小單位，不可能再把它進(jìn)一步細(xì)分即可。
假如你**次稱自己的體重是60kg，接下來立刻再稱一次肯定還是60kg。而在量子領(lǐng)域，你**次測量某個量子態(tài)是0，接著再測量一次同樣量子態(tài)可能就變成了1，這是因為量子態(tài)在測量前的具體“值”只是一個概率分布，在你測量時它才會“坍縮”到某個具體的“值”。好了，看到這里我相信大家都已經(jīng)武裝到了牙齒，即使以前沒有相應(yīng)的理論基礎(chǔ)，也都可以明白量子通信的基本內(nèi)容了。不過作為對比，我們還是先來看一下傳統(tǒng)通信。傳統(tǒng)通信*大的弊端就是容易被獲取，只要你關(guān)心信息**問題，就不得不面對這一困境，因為不管是用電纜、光纖還是無線電波，獲取都是很容易的事情。以電纜為例，根據(jù)我們小學(xué)一年級就學(xué)過的知識，大聰明只要在中間接一個萬用表或者示波器之類的裝置，就能獲取到小美和小帥的悄悄話，而且還不被發(fā)現(xiàn)。
同樣，看起來很**的光纖通信其實也很容易被獲取。基本原理是通過將光纖彎曲，使得部分光信號外泄，并被相應(yīng)的探測器探測到。而由于光纖損耗會受到環(huán)境因素影響本來就是飄忽不定的，因此獲取所導(dǎo)致的損耗就會淹沒在環(huán)境變化里，使人無法察覺。
所以在傳統(tǒng)通信領(lǐng)域，各種加密就顯得尤為重要，例如采用基于大質(zhì)數(shù)P*Q的質(zhì)因子分解困難性的RSA加密等等。那么，就沒有****的通信方式了么？當(dāng)人們將目光投向了有著諸多“神秘”特性的量子力學(xué)領(lǐng)域時，突然發(fā)現(xiàn)，原來答案就藏在那飄忽不定之中。簡單來說，量子通信就是利用量子力學(xué)原理的一種通信形式，它主要是利用量子力學(xué)中的不確定性、測量坍縮和不可克隆三大原理，提供了無法被獲取（或者說獲取必被覺察）和計算破解的****性保證。當(dāng)然，這里所說的**指的是在原理層面上，假如你通過社會工程學(xué)方面進(jìn)行攻擊，比如說買通了操作員，那就是另外一個問題了。目前火熱的量子通信嚴(yán)格來說都是基于光子實現(xiàn)的“量子加密通訊”或者說“量子密鑰分發(fā)（Quantum Key Distribution即QKD）”。因為我們不可能耗費巨大的資源去傳輸整個數(shù)據(jù)，于是便只通過量子信道去傳輸密鑰，發(fā)送方使用密鑰對數(shù)據(jù)加密后，再通過傳統(tǒng)通道進(jìn)行傳輸，*后由接收方用密鑰進(jìn)行解密。由于量子通信保證了密鑰無法被竊取，也就保證了數(shù)據(jù)的**性。那么量子通信該如何進(jìn)行呢？方式和協(xié)議當(dāng)然會有多種，不過*值得一說的，自然是有名的BB84協(xié)議。顧名思義，BB84協(xié)議是在1984年，由IBM公司的Bennet和加拿大人Brassard共同提出來的量子密鑰分發(fā)概念和協(xié)議，后來又得到進(jìn)一步改進(jìn)，并由科學(xué)家在2001年從理論上證明了**的BB84協(xié)議，具有無條件的**性。不過這不重要，重要的是有了前面量子力學(xué)速成的幫助，這個協(xié)議我們每個人都能看懂，接下來我們就一起看一下吧：BB84協(xié)議要求兩個通信信道，一個是量子信道，一個是傳統(tǒng)信道（下文就用電話為例）。同時我們選擇以光子進(jìn)行量子通信。小美要發(fā)送信息給小帥，她有4個單光子發(fā)送裝置，分別可以發(fā)送水平偏振光、豎直偏振光、左斜偏振光和右斜偏振光的裝置，并和小帥約定好了，自己發(fā)送的水平和左斜的偏振光子代表0，豎直和右斜的偏振光子代表1，如下圖所示：
小帥作為接收方，他也有兩個工具，一個是＋型接收器，只允許水平或豎直偏振光通過，另一個是×型接收器，只允許左斜或右斜偏振光通過，如下圖所示：
同時要求，小美每次隨機(jī)從她的四個裝置中選擇一個來發(fā)送一個光子給小帥，小帥每次也隨機(jī)從他兩個接收器中選擇一個來接收，注意，是雙隨機(jī)哦。基于前面的設(shè)定，當(dāng)小美發(fā)送信息并由小帥接收后就會出現(xiàn)多種情況，具體組合如下圖所示：
從圖中可以看到，如果小帥恰好選用了＋型器接收到水平或豎直光子時、或者恰好用×型接收器接收到左斜和右斜光子時，就能正確的知道小美發(fā)送的信息是什么。而如果用錯了接收器，光子為了“適應(yīng)”接收器，它在通過接收器后就會由于測量坍縮效應(yīng)而等概率地變成接收器的兩個方向之一，也就是說會五五開知道小美發(fā)送了什么。這樣整體計算下來，傳遞一個光子的誤碼率大概為：
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**步，小美決定發(fā)送一個二進(jìn)制序列10110011010011，注意是小美自己隨機(jī)決定的，任何其他人都不知道，包括小帥和大聰明。
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**步，小美隨機(jī)的為每個二進(jìn)位選擇了一個發(fā)送裝置，比如對于0，可能用水平也可能用左斜發(fā)送器。
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第三步，針對小美發(fā)送的每一個二進(jìn)制位，小帥隨機(jī)的選擇一個接收器來接收。
至此，量子信道的交互就完成了。由于兩人都是隨機(jī)選擇，所以為書寫方便，我們不妨假設(shè)隨機(jī)選擇的結(jié)果如下圖所示：
根據(jù)上圖很容易就可以看出，比如第3位小帥就接收錯誤，第7位卻歪打正著接收正確了。接下來的通信都在傳統(tǒng)信道上進(jìn)行了。
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第四步，小帥打電話告訴小美自己針對每一個位都選擇了什么接收器，大聰明即使知道了小帥用了什么接收器，然而卻不知道小帥的接收結(jié)果，因此毫無意義。
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第五步，小美對比自己的發(fā)送器使用情況，顯然能知道小帥在哪些位置用對了接收器，哪些位置用錯了接收器，在本例中就是第1、4、5、6、8、9、10、12、14位，她把這個結(jié)果告訴小帥。
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第六步，小帥從這些位置中隨機(jī)選出幾個，比如8、10、12，告訴小美自己的測量結(jié)果是101。
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第七步，小美核對一下如果自己發(fā)送的的確是101就告訴小帥OK，否則肯定是有人獲取或其它原因，可以選擇中止通信或者重新從**步開始。
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第八步，兩人按照約定，剔除掉第六步中的三個位置，即只使用1、4、5、6、9這五個位置，這五個位置上發(fā)送的二進(jìn)制位是11000，就把它當(dāng)作密鑰來使用。
整個過程就是這么簡單，不要告訴我你沒看懂，否則那一定是我描述的不夠好，于是我強(qiáng)烈建議你把這文章叉掉，再給我一次機(jī)會從頭看起，順便轉(zhuǎn)發(fā)你朋友圈圍觀一下。
那么，量子通信的**性是如何保證的呢？我相信聰明的你一定早就發(fā)現(xiàn)了，前面量子力學(xué)速成里的好多知識還沒用上，沒錯，就是它們完成了這一項艱巨的任務(wù)。
首先來看一下量子信道上的通信，假設(shè)大聰明能夠截獲小美發(fā)送的光子，由于光子不可克隆，因此大聰明沒法克隆一個光子來進(jìn)行測量并保證原光子未改變再發(fā)送給小帥；假設(shè)大聰明直接對這個光子測量后再發(fā)送給小帥，又由于測量坍縮，光子的狀態(tài)會被改變，小帥就可能接收不到小美發(fā)送的正確信息，會導(dǎo)致通信的誤碼率大大上升，小美和小帥就會發(fā)現(xiàn)有人在獲取，直接選擇中止通信或重新進(jìn)行密鑰分發(fā)，前面的第六、七步其實就是一個校驗。在第七步時，如果有人獲取，那么小帥發(fā)給小美的就可能不是101而是110或者其它。大聰明對每一位進(jìn)行獲取測量以后，就相當(dāng)于重新發(fā)送了一個光子給小帥，按照前面的計算，本來不會出錯的每個光子就會出現(xiàn)25%的誤碼率。那么我們很容易就算出，獲取后還能**的發(fā)送無錯誤信息不被發(fā)現(xiàn)的概率只有：
假如我們的校驗位提高到32位，那么不被發(fā)現(xiàn)的概率就約只有
了。
再來看一下傳統(tǒng)信道上，即使傳統(tǒng)信道是完全開放的，大聰明也只能知道小帥用了哪些接收器、哪些接收器接收正確，還能知道幾個正確的接收值，然而這幾個接收值又被舍棄了，因此這些信息對大聰明而言完全無用。
這樣，量子通信就從原理上保證了**的**性。
不過，話又說回來，量子通信真的就那么牢不可破嗎？
當(dāng)然不是。前面已經(jīng)提到，社會工程學(xué)攻擊依然可以大行其道。另外在純技術(shù)層面上，量子通信的**場景也不存在。例如：現(xiàn)在仍沒有成熟的技術(shù)可以一次只發(fā)送一個光子，大聰明如果攔截了一次發(fā)送的多個光子中的幾個，并不會影響誤碼率。當(dāng)然攻擊的方式也可以是多種多樣的，本著我聽不到也讓你們倆聊不成的原則，大聰明可以用類似DDOS的方式野蠻介入，你發(fā)現(xiàn)我獲取怎么著，我就讓你們完不成密鑰交換，這豈不也是一種方式？
看到現(xiàn)在，相信大家對量子通信已經(jīng)有了一個初步的認(rèn)識。什么？你說為什么我沒說量子糾纏？因為它跟我們現(xiàn)在的量子通信完全沒有關(guān)系。不過終究我還是要談一下的，但本著不能貪多嚼不爛的原則，我決定把它留到下一篇——量子隱形傳態(tài)——里再說，咱們下回再見。
