【科普】量子通信,到底是什么工作原理?

A和B通过传统方式(例如电话或QQ,不在乎被窃听),对比双方的测量基。测量基相同的,该数据保留。测量基不同的,该数据抛弃。
保留下来的数据,就是最终的密钥。(下图中,1001就是密钥)


如果,存在一个窃取者(我们称为 C )。
如果C只窃听A和B对比测量基,那C会得到这样的信息:
不同不同相同相同不同不同相同相同这个对他来说,没有任何意义。 C只能去测量A到B的光子。
注意!因为量子的不可克隆性,C没有办法复制光子。C只能去抢在B之前进行测量(劫听)。
如果C测量,他也要随机选择自己的测量基。
那么,问题来了,如果C去测量刚才那一组光子,他有一半的概率和A选择一样的测量基(光子偏振方向无影响),还有一半的概率,会导致光子改变偏振方向(偏45°)。
如果光子的偏振方向改变,那么B的测量准确率肯定受影响:
没有C的情况下,A和B之间采用相同测量基的概率是50%。
所以,A和B之间拿出一小部分测量结果出来对比,有50%相同。
有C的情况下,A和C之间采用相同测量基的概率是50%。B和C之间采用相同测量基的概率是50%。
所以,A和B之间拿出一小部分测量结果出来对比,有25%相同。
由此,可以判定一定有人在窃听通信停止,当前信息作废。
对于单个比特来说,C有25%的概率不被发现,但是现实情况绝对不止1个比特,肯定是N个数量级的比特,所以,C不被发现的概率就是25%的N次方。
稍微懂点数学,就知道这个数值的恐怖:
25%的10次方:9.5367431640625e-7 25%的20次方:9.094947017729282379150390625e-13 ……
也就是C不被发展的概率极低极低。
能理解了吗?希望你跟上了思路,如果逻辑思维能力OK,这个过程应该是不难理解的。
总而言之,量子密钥分发(其实叫量子密钥协商,更为准确),使通讯双方可以生成一串绝对保密的量子密钥,用该密钥给任何二进制信息加密,都会使加密后的二进制信息无法被解密,因此从根本上保证了传输信息过程的安全性。
量子密钥分发的争议其实,如果稍加思考,就会发现这种密钥分发方式存在一个问题,那就是——这个方式只能发现窃听者,不能保证通信的稳定性!
你想,如果窃听者不停地窃听,怎么办?A和B虽然可以随时察觉被窃听,但是他们所能做的,就是停止通信啊。如果通信停止了,那通信的目的就达不到了啊。
所以,业内对量子通信的争议,很大一部分就在于此:
“如果窃听者消失了,那么任何密码技术都是多余的。”
反对者的逻辑是:如果乌龟躲在乌龟壳里面,它一伸出头,鸟就啄它,那么它只能缩回去,它再伸,鸟再啄,它就永远没机会吃东西,只能饿死。
支持者的逻辑是:通信的保密性要大于消息的稳定性。如果确认不安全,那宁可不传。
如果我和你说话,我发现有人偷听,那我就不说。但是,正常情况下,我们不可能坐以待毙,我们肯定会派人去抓出窃听者(量子通信里,根据计算,很容易找到窃听点)。
对方不可能明知道会被抓,还坚持窃听,再多的窃听者也不够抓的。
“通信密钥分发”方式的量子通信,就是拥有随时发现窃听者的能力,给窃听者以震慑,以此保卫自己的通信安全。
如果真的是对方鱼死网破,全力阻止你通信,那么不仅是量子通信,任何通信模式都是无力抵御的(针对无线通信的信号干扰和压制、针对有线通信进行轰炸和破坏)。世界上最可怕的,就是你的通信被窃听了,而你自己却不知道。难道不是吗?
Part.4 量子隐形传态
接下来,我们来说说量子通信的另外一种方式 ——“量子隐形传态”。
如果说,量子密钥分发只是量子力学应用于经典通信的一个小应用(加了把量子锁),那量子隐形传态,就是真正的量子通信了。
解释量子隐形传态之前,我们必须先解释两个重要概念——“量子比特”和“量子纠缠”。
量子比特我们目前进行信息存储和通信,使用的是经典比特
一个经典比特在特定时刻只有特定的状态,要么0,要么1,所有的计算都按照经典的物理学规律进行。
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