量子通信理論和應用

王尊

摘 要：量子通信是經典通信和量子力學結合的一門交叉學科。文章綜述了量子通信的基本原理、方法與應用；介紹了量子通信技術近年來取得的應用，并對未來發展作了展望。

關鍵詞：量子通信；BB84協議量子密碼

中圖分類號：O413；TN918 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2015）18-0084-02

在信息時代，網絡安全是一個嚴峻的問題。信息安全已經得到了各國政府的高度重視，一方面要保護自己的安全，另一方面要攻擊對方，信息保護的升級刻不容緩。

1 現代密碼學

現代密碼學的基本思想是發送方使用加密算法和密鑰，將要保密的信息變成數字發送給接收方。密鑰是隨機數0、1，將其與要傳送的數字明文放在一起，用加密算法把它們變成密文，密文就是傳送的信息。接收方使用事先定好的相應的解密算法，反變換將明文提取出。

密碼體制分為兩類：一類叫對稱密鑰（非公開密鑰），它的加密密鑰和解密密鑰相同，通信雙方需要事先共享相同的密鑰，關鍵在于如何安全地傳遞密鑰。其中有一種一次一密（one time pad）的密碼，用與明文等長的二進制密鑰與明文異或得密文，并且每個密鑰使用一次就銷毀，根據香農的證明一次一密是無法破譯的。

另一類叫非對稱密鑰（公開密鑰），加密密鑰和解密密鑰不相同，加密密鑰公開，發送者發送密鑰與明文混合之后的密文，接受者使用不相同的密鑰解出密文。從公開的加密密鑰推導出解密密鑰需要耗費極巨大的資源，雖然原則上可破解，但實際做不到，所以，在當今社會受到廣泛使用。

一旦量子計算機研制成功，它可以更快速的破解數學難題，公開密鑰就面臨了嚴峻挑戰。

2 量子密碼

無論采用哪種方法，都無法避免“截取-重發”的威脅。為了應對強大的量子計算機，需要無條件安全的一次一密的加密方案；但必須解決密鑰分配的安全性，可以借助于量子信息作為密鑰傳輸的工具。一次一密不可破譯加上密鑰傳輸不可以竊聽，從理論上就可以做一個“絕對安全”的量子保密通信。

量子密碼是利用信息載體（例如光子等粒子）的量子特性，以量子態作為符號描述的密碼，它的安全性是由量子力學的物理原理保障的。

①測量塌縮理論：除非該量子態本身即為測量算符的本征態，否則對量子態進行測量會導致“波包塌縮”，即測量將會改變最初的量子態。②不確定原理：不能同時精準測量兩個非對易物理量。③不可克隆原理：無法對一個未知的量子態進行精確的復制。④單個光子不可再分：不存在半個光子。

3 量子通信

量子通信，廣義是指量子態從一個地方傳送到另一個地方，內容包括量子隱形傳態、量子糾纏交換、量子密鑰分配；狹義上是指量子密鑰分配或基于量子密鑰分配的密碼通信。本文講述的是狹義的量子通信。

3.1 單光子的偏振態

本文介紹采用BB84協議實現的量子通信，在發送者和接收者之間用單光子的偏振態作為信息的載體。有兩種模式：一個是直線模式，光子偏振態的偏振方向是垂直或者水平，如圖1所示；一個是斜線（對角）模式，光子偏振態的偏振方向與垂直線稱45 ？觷角，如圖2所示。

3.2 基于BB84協議下的“制備-測量”

依照慣例，密碼學家稱發送者為Alice，接收者為Bob。Alice隨機用直線模式或對角模式發出光子，并記錄下不同的指向。Bob也隨機決定用兩種模式之一測量接收到的光子，同時記下采用檢偏器的模式和測量結果值。傳送結束后，Alice與Bob聯絡，Bob告訴Alice他分別采用哪種模式測量，然后Alice會告訴Bob哪些模式是錯誤的，這一過程無須保密。之后他們會刪除使用錯誤模式測量的光子，而正確模式測量出的光子按照統一規定變成0、1碼后，就成為量子密鑰。

3.3 發生竊聽

根據“海森堡測不準原理”，任何測量都無法窮盡量子的所有信息。因此，竊聽者想要復制一個完全相同的光子是根本不可能的事情。同時，任何截獲或測量量子密鑰的操作都會改變量子狀態，竊聽者只得到無意義的信息，而信息合法接受者也可以從量子態的改變，知道存在竊聽者。

密碼學家通常稱竊聽者為Eve，同Bob一樣只能隨機選擇一種測量模式，當她采用錯誤的測量方式對某一光子測量時，由于波包塌縮，光子的偏振態會改變。比如，Eve使用對角模式測量直線模式下的光子態，光子態會塌縮為對角模式。之后即使Bob選擇了正確的測量模式測量該光子，Bob可能會得到不符合編碼信息的測量結果，這就產生了誤差，具體通信過程如圖3所示。

Eve竊聽一個光子采用錯誤測量模式的概率是50%；采用錯誤模式時，信息可能變成0，也可能變成1，他有25%的概率被發現。但密鑰并非一個光子組成，光子數越多被發現的概率就會越高。當誤碼率低于閾值，就可以稱這個密碼是安全的；當誤碼率超過閾值，就稱密碼被竊聽，重新再制備新的密鑰，一直檢查到密鑰在建立過程中沒有竊聽者存在，接下來進行一次一密的傳送。通過這種方式能保證密鑰本身安全，并且加密密文不可破譯，這就是量子通信的安全性所在。

3.4 量子信道與經典信道

發送方通過量子信道傳送量子態光子，接收方用兩種不同類型的檢偏器測量，檢測出0、1組成的量子密鑰，還需要一個經典信道。因為是采用一次一密方式，所以經典信道需要定時傳送同步信號。

4 量子通信現狀

由于量子通信技術的各種優勢，國際上的一些國家，特別是美國、日本、歐盟都投入了大量的人力物力，進行量子通信的理論與實驗研究。2002年美國BBN公司，哈佛大學和波士頓大學開始聯合建造DARPA網絡。2010年日本在三個政府機構之間使用量子密鑰分配技術，并與2010年10月在東京演示了一個城域量子保密通信網。2010年西班牙馬德里建成歐盟第一個城域QKD網絡。我國也在量子通信技術的道路上不斷發展。2012年“金融信息量子通信驗證網”是世界首次利用量子通信網絡實現金融信息的傳輸。2012年黨的“十八大”期間在部分核心部位部署量子通信系統。2013年量子保密通信“京滬干線”正式立項，打造廣域量子通信網絡。

5 結 語

量子通信還有一些技術難題未攻破，例如信道的干擾，設備的非理想特性，身份驗證、密鑰存儲等技術需要進一步改良等等。雖然理想情況量子密碼不可破，但在實際中還有一些漏洞需要考慮。在未來幾年，相信我國在中央、地方政府及相關部門大力支持下，通過相關科研團隊的努力，量子通信技術會不斷完善，量子通信產業也必將取得飛速發展。

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