科学回家“科学精神耀光华”科普展览第六期
从2016年“墨子号”升空，到不久前“墨子号”再创佳绩新闻，一系列与“量子保密通信”相关词语经常萦绕耳边，那么究竟什么是量子保密通信呢，在通信技术已经如此发达的今天它又有何作用？本期“科学精神耀光华”就带你五分钟读懂“量子保密通信”。
量子保密通信从何而来
为了安全地传递信息，人们发明了很多加密方法，设想一下，你有一份机密文件要移交，为保安全，你将它放入一个特制的保险箱，它配有特殊的密码锁，当你将文件放入箱中锁上，文件内容就被转换为一列随机数字，然后你将保险箱移交，并将密码告诉接收者，他打开锁时，文件内容就会恢复。
不要觉得这是一段幻想，事实上，它说明的就是目前常用加密方法的三个关键点：密钥，可以理解为密码；算法，就是将文件转换和恢复的锁；密钥分发，或者叫做密钥交换，就是你将密码告诉接收者的方式，比如打电话。
从上述过程也可以看出，此加密方法的关键点就在于密钥，如果没有密钥，即使有人截获了箱子并强行打开，得到的也只是一串随机数字。
其实，早在1948年，信息论的创始人C E. Shannon就已经证明，如果密钥安全，则通信内容就是严格安全的[3]。
C E. Shannon
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那么问题来了，存在绝对安全的密钥吗？Shannon告诉我们，存在的，甚至很简单，只需满足三个条件：1.密钥完全随机，不会重复也不可预测；2.明密等长，即密钥与明文有相同的长度，甚至更长，窃密者难以穷举；3.一次一密，即每传递一次信息就更换一次密钥，彻底断了窃密者窃得一次密钥就能一直窃取信息的念想。
那么问题又来了，如何产生完全随机的密钥呢？目前的计算机似乎是无法做到的；再者，如何绝对安全地分发这样的密钥呢？如果能够安全地传递与明文等长的密钥，那直接传递明文不就好了，前两者都无法满足，就更不用考虑第三个条件了。这也正是Shannon的理论提出几十年都未曾实现绝对安全保密通信的原因。
这样的局面在量子物理加入信息科学后得到了突破。
上世纪60年代末，美国哥伦比亚大学的Wiesner最早提出量子密钥的概念 [4]，并产生“利用量子力学中的不确定性原理制造不可伪钞票的想法”[5]。1984年，美国科学家C. H. Bennett和加拿大科学家G. Brassard从Wiesner的设想中获得灵感，并将其应用到保密通信中，提出了量子密钥分发的概念和第一个量子密钥分发协议（科学家们将量子密码术的方案称为某协议），即著名的BB84协议[6]，该协议从理论上解决了密钥分发的难题, 标志着量子密码的诞生[5]，并在20世纪90年代后期到2000年，由Mayers等人严格证明了其安全性[7]。
BB84协议
前面提到，最早的量子密钥分发协议是BB84协议，可以说是后续相关研究与实验的基础，因此理解了BB84协议也就基本理解了量子密钥分发的原理。
BB84协议原理图
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在BB84协议中有两个“工具”：单光子的四个偏振态（水平、竖直、45°偏振、135°偏振）和两个经典比特0和1，其中四个偏振态构成两种基态，即水平和竖直偏振构成直角基，45°和135°偏振构成斜角基。
此外，还有三个对象：发射者Alice、接收者Bob、窃听者Eve（以下分别简称A、B、E）。
其实现过程如下：
1.A向B发送一系列随机的单光子偏振态，其中水平与45°偏振态对应数字0，其余对应数字1；
2.B用随机的基去接收偏振态单光子；
3.若B选择基正确，则保留其偏振态对应的数字，否则舍去。
这样保留下的一串数字即为密钥，并且完美满足绝对安全密钥的三个条件。
且在此过程中，由于单光子不能被分割和复制的性质，E只能通过截取单光子后测量、再发送一个和测量结果相同状态的单光子给接收方的方式进行窃听，但在量子世界中，测量会对光子的状态产生扰动，从而被E发送的光子和原始光子状态是存在偏差的，稍不小心，E就暴露了自己的存在。
能够产生并安全分发密钥，甚至实现了反窃听功能，量子保密通信无疑是现代加密技术中的王者了。但理想和现实依然存在不小差距，比如直到目前实验中还未能得到完美可靠的单光子源，且在单光子的探测以及单光子信号的传输等方面都存在诸多的技术难题，不过科技成果日新月异，量子保密通信未来可期。
中国领衔
我国研究量子保密通信的起点大约在1995年，中科院物理研究所完成了国内首次基于BB84协议的演示实验；1997年，华东师范大学运用B92协议完成了实验[5]。尽管我国起步较晚，但随着“墨子号”的升空、“京沪干线”量子通信网络工程的建设，乃至不久前“墨子号”首次实现1120千米基于纠缠的量子密钥分发，还有已列入建设规划的量子保密“齐鲁干线”等一系列“首次”的完成表明我国在量子通信领域已处于国际领先地位。
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可以说，目前的量子保密通信还处于较为初步的发展阶段，应用前景十分广阔。极高的安全性使它注定成为未来信心加密与安全防护的基础和方向之一。我国自量子保密通信“京沪干线”建成以来，率先进入部署大规模量子保密通信网络阶段，在金融、政务、电力等多个领域已经展开了应用试点，并制定了国家层面的战略计划，未来发展值得期待。
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参考文献：
[1]丁兆君.量子信息科技在中国的发展——以中国科学技术大学为例[J].自然科学史研究,2019,38(04):394-404.
[2]吴华,王向斌,潘建伟.量子通信现状与展望[J].中国科学:信息科学,2014,44(03):296-311.
[3]Shannon C E.A mathematical theory of communication[J].Bell Syst Techn,1948,27:379–423,623–656
[4]高晶亮.量子密钥分发的研究与实现[D].西安电子科技大学,2011.
[5]周南润,曾宾阳.量子密码的发展[J].通信技术,2008(07):214-216.
[6]Bennett C H, Brassard G, Quantum Cryptography: public key distribution and coin tossing. In: Proceedings of the IEEE International Conference on Computers, Systems, and Signal Processing, Bangalore, India (IEEE, New York, 1984), pp. 175–179.
[7]王向斌,马雄峰,徐飞虎,张强,潘建伟.关于量子保密通信现实安全性的讨论[OL].墨子沙龙,2019.
