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{| class="wikitable" style="float:right; margin: -10px 0px 10px 20px; text-align:left" |<center>'''量子密鑰分發'''<br><img src="https://www.easyatm.com.tw/img/1/f25/nBnauM3XyITNwMjN5YTO2UzM1UTM1QDN5MjM5ADMwAjMwUzL2kzL4AzLt92YucmbvRWdo5Cd0FmLzE2LvoDc0RHa.jpg" width="280"></center><small>[https://www.easyatm.com.tw/wiki/%E9%87%8F%E5%AD%90%E5%AF%86%E9%91%B0%E5%88%86%E7%99%BC 圖片來自easyatm]</small> |} '''量子密鑰分發'''(quantum key distribution,簡稱QKD)是利用[[量子力学]]特性实现[[密码协议]]的安全通信|Secure communication方法。它使通信的双方能够产生并分享一个随机的、安全的[[密钥]],来加密和解密[[訊息]]。它常常被误称为[[量子密碼學]],因为它是[[量子密碼學]]任务中最著名的例子。 量子密鑰分發的一个最重要的,也是最独特的性质是:如果有第三方试图窃听[[密碼_(密碼學)|密码]],则通信的双方便会察觉。这种性质基于量子力学的基本原理:任何对量子系统的[[量子測量|测量]]都会对系统产生干扰。第三方试图窃听密码,必须用某种方式测量它,而这些测量就会带来可察觉的异常。通过[[态叠加原理|量子叠加态]]或[[量子纠缠|量子纠缠态]]来传输信息,通信系统便可以检测是否存在窃听。当窃听低于一定标准,一个有安全保障的密钥就可以产生了。 量子密鑰分發的安全性基于量子力学的基本原理,而[[密码学|传统密码学]]是基于某些数学算法的[[计算复杂度]]。传统密码学无法察觉窃听,也就无法保证密钥的安全性。QKD的安全性是是可以依据[[信息论]]证明的,而且它还具有[[前向安全性]]<ref>[https://www.zhihu.com/question/45203206 前向安全性],zhihu</ref> 。 量子密鑰分發只用于产生和分发密钥,并没有传输任何实质的訊息。密钥可用于某些[[加密算法]]来加密訊息,加密过的訊息可以在标准[[信道]]中传输。跟量子密鑰分發最常見的相關演算法就是[[一次性密碼本]],如果使用保密而隨機的密鑰,這種演算法是provably secure||具可證明的安全性。在實際的運用上,量子密鑰分發常常被拿來與[[對稱密鑰加密]]的加密方式,如[[高级加密标准|AES]]這類演算法一同使用。 == 协议 == === BB84协议 === [[查尔斯·貝內特]](Charles Bennett)與[[吉勒·布拉薩]](Gilles Brassard)於1984年发表的论文中提到的量子密码分发协议,后来被称为[[BB84协议]]。其实任意两组[[共轭物理量|共轭]]状态都可以用于该协议,而且大多数BB84的基于[[光纤]]的实现都使用相位编码状态。BB84协议是最早描述如何利用光子的[[极化|偏振态]]来传输訊息的。发送者(通常称为Alice)和接收者(通常称为Bob)用量子信道来传输量子态。如果用光子作为量子态载体,对应的量子信道可以是光纤或者简单的[[真空|自由空间]]。另外他们还需要一条公共经典信道,比如无线电或因特网。公共信道的安全性不需考虑,BB84协议在设计时已考虑到了两种信道都被第三方(通常称为Eve)[[窃听]]的可能。 这个协议的安全性源于用[[正交|非正交态]]。量子不确定性告诉我们,通常不能在不干扰原始状态的情况下测量这些状态(参见[[不可克隆原理]])。BB84协议利用两对状态,分别是光子偏振的两个直线基"+":水平偏振(0°)记作|→>,垂直偏振(90°)记作|↑>;和光子偏振的两个对角基"×":45°偏振记作|↗>,和135°偏振记作|↘>。这两对状态互相不正交,无法被彻底的分辨。比如选择基"+"来测量|↑>,会以100%的概率得到|↑>。但选择基"+"来测量|↗>,结果是随机的,会以50%的概率得到|→>,或以50%的概率得到|↑>,而原始状态的訊息丢失了。也就是说,当测量后得到状态|↑>,我们不能确定原本的状态是|↑>还是|↗>,这两个不正交的状态无法被彻底分辨。 == 量子密钥交換 == [[量子通訊]]中,訊息编码为量子态,或称[[量子位元|量子比特]],与此相对,经典通信中,訊息编码为[[位|比特]]。通常,[[光子]]被用来制备量子态。[[量子密码学]]利用量子态的特性来确保安全性。量子密钥分发有不同的实现方法,但根据所利用量子态特性的不同,可以分为两大类。 ;基于製備和测量的协议 : 与[[经典物理]]不同,测量是量子力学不可分割的组成部分。一般来讲,测量一个未知的量子态会以某种形式改变该量子的状态。这被称为量子的不确定性,它的一些基本结论有[[维尔纳·海森堡]]的[[不确定性原理]],[[信息干扰理论]]和[[不可克隆原理]]。这些性质可以被利用来检测通訊过程中的任何窃听(窃听必然需要测量),更重要的是,能够计算被截获訊息的数量。 ;基于纠缠态的协议 : 两个或更多的量子态能够建立某种联系,使得他们无论距离多远依然要被看做是一个整体的量子态,而不是独立的个体。这被称为[[量子纠缠]]。他们之间的联系是,比如,对其中一个量子的测量会影响其他量子。如果纠缠的量子对被通訊的双方分别持有,任何对訊息的拦截会改变整个系统,使第三方的存在(以及他截获訊息的数量)被检测到。 这两大类方法中的每一类都可以进一步分为三类协议:连续或离散变量|Continuous or discrete variable|离散变量、连续变量和分布式相位参考编码。离散变量协议是第一个被发明的,也是最广泛实现的。其他两类主要关注克服实验的实用局限性。下面描述的两种协议都使用离散变量编码。 == 參考文獻 == {{reflist}} [[Category: 310 數學總論]]
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