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量子通信绝大多数普通人的认知都还处在概念的阶段,是一种非常懵逼的状态。量子通信实际上就是一种加密的通信方式。通信简而言之就是将信息从一个地方传到另外一个地方,我和另外一个人说话就是一种通信,如果不想让其他人听到可以在贴着耳朵说悄悄话,但离得非常近的人还是可以听到这种明文的通信。于是加密的通信从古至今在不断地发生进化,旗语、手语、密信等等都属于加密通信的方式,BB84协议也是一种加密通信的方式,只不过它是依托量子进行加密。
20世纪70年代发明的RSA加密算法一直沿用至今,目前仅有短的RSA钥匙才可能被强力的方式破解,钥匙只要足够长,用RSA加密的讯息实际上是不可能被破解。这是因为RSA有公钥和私钥之分,通过公钥加密来传递信息,如果想要进行解密必须要使用私钥来解密,这比谍战中的密码本式的对称加密方式要安全太多了。当然公钥也可以用来解密,但难度不是一般的大,这就好比告诉你两个数的乘积,反过来告诉你一个积,要找是哪两个数相乘一样。所以RSA加密方式被为是安全的,迄今为止还没有任何可靠的攻击RSA算法的方式。
量子通信对于现在的通信方式来说意义并不大,RSA加密方式已经足够用了。但似乎没有什么能够阻挡人们开拓进取的意志,由于量子计算机的出现,人们开始担心量子计算机加上short算法会易如反掌地破解RSA加密算法,于是就有了量子通信。
量子通信的优势
量子态由于是不确定的,所以它具有天然的防止窃听的性质。比如现如今经典信道传输的电磁波可以被轻易地复制出来慢慢破解,而整个复制的过程你并不知道。
但想对量子态进行复制是非常困难的,想要复制量子态就必须先测量,测量的过程必然对量子态造成干扰,一测量导致波函数塌缩,量子激发态想要再变回来几乎不可能。
量子通信虽然没有办法被监听测量,但可以利用量子力学特性实现密码协议的安全通信方法,它使得通信的双方能够产生并分享一个随机的、安全的密钥,这个过程就是量子密钥分发(QKD)。
比如光子的偏振可以有横、竖、45度、度四个方向,选两个方向代表1,剩下两个方向代表0,发送方随机把不同偏振态的光子发给接收方,接收方告诉发送发摆放的顺序就知道大概会产生什么样的结果,接收方再告诉接收方放对的留下,放错的不要,这样就不怕被窃听了。即使窃听者听到了1、3、4、6保留,它也不可能知道具体怎么摆。
BB84是一种协议
协议就是完成通信或者服务所必须要遵循的基本规则和约定,可以说BB84协议是目前我国已建和在建量子通信工程技术的基础。除了BB84协议之外,还有B92协议、E91协议等,这些统称为QKD,QKD实际上就是为了弥补每一次密钥分发的漏洞,通过BB84协议仅仅只是用来分发密钥,具体传输还是通过传统经典传输方式,当然也可以通过量子直接进行通信,但这条路还很远。
总结
量子通信在全球范围来看,大家基本都是摸着石头过河,并没有明显的趋势预示着谁一定会比谁领先,如今只能看到谁比谁动作快,但很可能是雷声大雨点小,毕竟量子学科离商用、民用还很远很远。
当年美国花费万美元研发能在太空失重状态下使用的圆珠笔成为苏联人的笑料,为什么不用铅笔。但直到如今没有一个宇航员在太空环境使用铅笔,因为铅笔芯、铅笔屑会造成太空安全隐患。同理量子学科为代表的量子通信既然出现,就一定有它出现的必然性,没准哪天就真的普及了。