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(shí)，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(gè)字就開始發(fā)怵，實(shí)際上要理解量子通信技術(shù)，并不需要多深的理論知識(shí)，只要我們接受并認(rèn)同幾個(gè)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?yàn)樵谒艿綖觚敩F(xiàn)在的位置時(shí)烏龜必定已經(jīng)跑到了一個(gè)新的位置。這兩個(gè)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(shí)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(gè)知識(shí)點(diǎn)，什么是量子？量子力學(xué)表示，一個(gè)物理量如果存在*小的不可分割的基本單位，那么這個(gè)物理量就是量子化的，并把這個(gè)*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(jí)就學(xué)過的知識(shí)就知道，光是一種電磁波，而且是橫波，它的振動(dòng)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(gè)方向構(gòu)成的平面叫做振動(dòng)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(shí)候配個(gè)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(shí)測量準(zhǔn)確一個(gè)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(gè)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(gè)光子完全一致的另一個(gè)光子即可。
前面你都接受了，這個(gè)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(gè)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?yàn)榱孔討B(tài)在測量前的具體“值”只是一個(gè)概率分布，在你測量時(shí)它才會(huì)“坍縮”到某個(gè)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?yàn)椴还苁怯秒娎|、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(jí)就學(xué)過的知識(shí)，大聰明只要在中間接一個(gè)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(shí)也很容易被獲取?；驹硎峭ㄟ^將光纖彎曲，使得部分光信號(hào)外泄，并被相應(yīng)的探測器探測到。而由于光纖損耗會(huì)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(huì)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(shí)，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(jì)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(huì)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(gè)問題了。目前火熱的量子通信嚴(yán)格來說都是基于光子實(shí)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?yàn)槲覀儾豢赡芎馁M(fèi)巨大的資源去傳輸整個(gè)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(huì)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(gè)協(xié)議我們每個(gè)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(gè)通信信道，一個(gè)是量子信道，一個(gè)是傳統(tǒng)信道（下文就用電話為例）。同時(shí)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(gè)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(gè)工具，一個(gè)是＋型接收器，只允許水平或豎直偏振光通過，另一個(gè)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(shí)要求，小美每次隨機(jī)從她的四個(gè)裝置中選擇一個(gè)來發(fā)送一個(gè)光子給小帥，小帥每次也隨機(jī)從他兩個(gè)接收器中選擇一個(gè)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(huì)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(shí)、或者恰好用×型接收器接收到左斜和右斜光子時(shí)，就能正確的知道小美發(fā)送的信息是什么。而如果用錯(cuò)了接收器，光子為了“適應(yīng)”接收器，它在通過接收器后就會(huì)由于測量坍縮效應(yīng)而等概率地變成接收器的兩個(gè)方向之一，也就是說會(huì)五五開知道小美發(fā)送了什么。這樣整體計(jì)算下來，傳遞一個(gè)光子的誤碼率大概為：
-
**步，小美決定發(fā)送一個(gè)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。
-
**步，小美隨機(jī)的為每個(gè)二進(jìn)位選擇了一個(gè)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。
-
第三步，針對小美發(fā)送的每一個(gè)二進(jìn)制位，小帥隨機(jī)的選擇一個(gè)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(cuò)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。
-
第四步，小帥打電話告訴小美自己針對每一個(gè)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。
-
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(cuò)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(gè)結(jié)果告訴小帥。
-
第六步，小帥從這些位置中隨機(jī)選出幾個(gè)，比如8、10、12，告訴小美自己的測量結(jié)果是101。
-
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。
-
第八步，兩人按照約定，剔除掉第六步中的三個(gè)位置，即只使用1、4、5、6、9這五個(gè)位置，這五個(gè)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(gè)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(huì)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(shí)還沒用上，沒錯(cuò)，就是它們完成了這一項(xiàng)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(gè)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(gè)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(huì)被改變，小帥就可能接收不到小美發(fā)送的正確信息，會(huì)導(dǎo)致通信的誤碼率大大上升，小美和小帥就會(huì)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(shí)就是一個(gè)校驗(yàn)。在第七步時(shí)，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(gè)光子給小帥，按照前面的計(jì)算，本來不會(huì)出錯(cuò)的每個(gè)光子就會(huì)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(cuò)誤信息不被發(fā)現(xiàn)的概率只有：
假如我們的校驗(yàn)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(gè)正確的接收值，然而這幾個(gè)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(huì)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(gè)光子，大聰明如果攔截了一次發(fā)送的多個(gè)光子中的幾個(gè)，并不會(huì)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(gè)初步的認(rèn)識(shí)。什么？你說為什么我沒說量子糾纏？因?yàn)樗覀儸F(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。
