独家揭秘：量子通信是如何做到“绝对安全”的

这样选择测量方式的好处是，如果选择“+”来测量偏振态“↗”或“↘”时，会得到50%的几率为“→”，50%的几率为“↑”。同理，如果选择“×”来测量“→”或“↑”时，会得到50%的几率为“↗”，50%的几率为 “↘”。

为了生成一组二进制密钥，发送者首先随机生成一组二进制比特，我们称之为“发送者的密钥比特”。同时发送者对每个“发送者的密码比特”都随机选取一个测量模式（“+”或者“×”），然后把在这个测量模式下，每个“发送者的密码比特”所对应的偏振状态的光子发送给接受者。比如传输一个比特0，选择的测量模式为+，则发送者需要发出一个偏振态为↑的光子。

接收者这边也对接收到的每个比特随机选择“+”或者“×”来测量，会测量出一组0和1。当接收者获得全部测量结果后，他要和发送者之间通过经典信道（如电话，短信，QQ等等）建立联系，互相分享各自用过的测量方式。这时他们只保留相同的测量方式（“+”或者“×”），舍弃不同的测量方式。于是保留下来的测量方式所对应的二进制比特，就是他们最终生成的密码，如表2。

表2.BB84通讯协议

通过表2我们可以看出，只有当发送方和接收方所选择的测量方式相同的时候，传输比特才能被保留下来用作密钥。

如果存在信息截获者，他也同样要随机地选取“+”或者“×”来测量发送者发送的比特。

例如，发送者选取测量方式“+”，然后发送“→”来代表1。如果截获者选取的也是“+”，他的截获就不会被察觉。但是因为截获者是随机选取的测量方式，他也有50%的概率选择“×”，于是量子力学的测量概率特性使光子的偏振就变为了50%的概率“↗”和50%的概率“↘”。

在上面的这种情况下，作为接收方如果选取了和发送方同样的测量方式“+”，则把这个比特当做密码。但是接收方测量的是经过截获的光子，即光子的偏振因为测量已经坍缩成了50%的概率↗和50%的概率↘，接收方测量最终结果无论如何都会变为50%的概率↑和50%的概率→。于是测量这个光子偏振的时候，发送方和接收方结果不同的概率为50%×50%=25%。

因此想知道是否存在截获者，发送方和接收方只需要拿出一小部分密钥来对照。如果发现互相有25%的不同，那么就可以断定信息被截获了。同理，如果信息未被截获，那么二者密码的相同率是100%。于是BB84协议可以有效发现窃听，从而关闭通信，或重新分配密钥，直到没人窃听为止。

BB84量子密钥分配协议使得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（比如做最简单的二进制“异或”操作，见表3）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。在这个协议基础上，世界各国都开展了传输用量子密钥加密过的二进制信息的网络建设，即量子保密通信网。中国在这方面走在了世界最前面。

表3.利用量子密钥给需要传输的原始信息做“异或”加密

中国科学技术大学潘建伟团队在合肥市实现了国际上首个所有节点都互通的量子保密通信网络，后又利用该成果为60周年国庆阅兵关键节点间构建了“量子通信热线”，之后研发的新型量子通信装备在北京投入常态运行，为“十八大”等国家重要政治活动提供信息安全保障。

科大国盾量子通信技术有限公司利用所转化的成果建成了覆盖合肥城区的世界上首个规模化量子通信网络，建成了覆盖合肥城区的世界上首个规模化量子保密通信网络，标志着大容量的城域量子通信网络技术开始成熟。

2013年国家批准立项的量子保密通信“京沪干线”，由中国科学技术大学承建，将于2016年年底前建成。该干线连接北京上海，全长2000余公里，是世界首条量子保密通信主干网，将大幅提高我国军事，政务，银行和金融系统的安全性。

量子纠缠态

我们可以用量子密钥给经典二进制信息加密。但是当我们需要传输量子比特时，就无法再使用量子密钥了，而需要使用“量子隐形传态”。理解量子隐形传态，首先要理解量子纠缠。

量子力学中最神秘的就是叠加态，而“量子纠缠”正是多粒子的一种叠加态。

以双粒子为例，一个粒子A可以处于某个物理量的叠加态，用一个量子比特来表示，同时另一个粒子B也可以处于叠加态。当两个粒子发生纠缠，就会形成一个双粒子的叠加态，即纠缠态。例如有一种纠缠态就是无论两个粒子相隔多远，只要没有外界干扰，当A粒子处于0态时，B粒子一定处于1态；反之，当A粒子处于1态时，B粒子一定处于0态。

用薛定谔的猫做比喻，就是A和B两只猫如果形成上面的纠缠态：

无论两只猫相距多远，即便在宇宙的两端，当A猫是“死”的时候，B猫必然是“活”；当A猫是“活”的时候，B猫一定是“死”（当然真实的情况是猫这种宏观物体不可能把量子纠缠维持这么长时间，几亿亿亿亿分之一秒内就会解除纠缠。但是基本粒子是可以的，比如光子。）。

这种跨越空间的、瞬间影响双方的量子纠缠曾经被爱因斯坦称为“鬼魅的超距作用”(spooky action at a distance)，并以此来质疑量子力学的完备性，因为这个超距作用违反了他提出的“定域性”原理，即任何空间上相互影响的速度都不能超过光速。这就是著名的“EPR佯谬”（编者注：EPR是三位物理学家姓氏的首字母缩写，其中，E是爱因斯坦，P是波多尔斯基，R是罗森，1935年，他们三人为论证量子力学的不完备性而提出了该佯谬）。

后来物理学家玻姆在爱因斯坦的定域性原理基础上，提出了“隐变量理论”来解释这种超距相互作用。

（编辑：源码网）

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