量子通信是一種全新的通信方式,它利用了光子等粒子的量子力學(xué)特性來(lái)進(jìn)行**信息傳遞,是未來(lái)**通信的核心要素。本文以淺顯易懂的語(yǔ)言介紹了量子通信的相關(guān)知識(shí),并給出了經(jīng)典的BB84協(xié)議的圖解,可以幫助讀者很好地了解量子通信技術(shù)。
假如您沒(méi)有學(xué)習(xí)過(guò)相關(guān)內(nèi)容,也大可不必看到量子力學(xué)四個(gè)字就開(kāi)始發(fā)怵,實(shí)際上要理解量子通信技術(shù),并不需要多深的理論知識(shí),只要我們接受并認(rèn)同幾個(gè)科學(xué)結(jié)論即可。《莊子·天下》有云:“一尺之捶,日取其半,萬(wàn)世不竭”。同樣,在古代西方也有類(lèi)似的芝諾悖論:擅于奔跑的阿基里斯神卻永遠(yuǎn)追不上在他前面起跑的烏龜,因?yàn)樵谒艿綖觚敩F(xiàn)在的位置時(shí)烏龜必定已經(jīng)跑到了一個(gè)新的位置。這兩個(gè)故事所隱喻的道理都是事物的無(wú)限可分性:莊子說(shuō)的是長(zhǎng)度的無(wú)限可分,芝諾說(shuō)的是時(shí)間的無(wú)限可分。不過(guò)量子力學(xué)告訴我們,事物是不能無(wú)限可分下去的,這就是理解量子通信技術(shù)所需要知道的**個(gè)知識(shí)點(diǎn),什么是量子?量子力學(xué)表示,一個(gè)物理量如果存在*小的不可分割的基本單位,那么這個(gè)物理量就是量子化的,并把這個(gè)*小單位稱(chēng)為量子。后面我們提到的光子就是光量子的簡(jiǎn)稱(chēng),只需要簡(jiǎn)單的認(rèn)為光子是光線中攜帶能量的基本粒子即可。接下來(lái)根據(jù)我們小學(xué)三年級(jí)就學(xué)過(guò)的知識(shí)就知道,光是一種電磁波,而且是橫波,它的振動(dòng)方向與前進(jìn)方向是不一致的,這種現(xiàn)象叫做偏振。一般把這兩個(gè)方向構(gòu)成的平面叫做振動(dòng)面,光也被稱(chēng)為平面偏振光或線偏振光,而且我們有辦法改變和測(cè)量偏振光的方向,是時(shí)候配個(gè)圖啦:
*后還需要接受四條量子力學(xué)定律,讓我用不夠嚴(yán)謹(jǐn)?shù)珔s淺顯的語(yǔ)言來(lái)描述一下:
量子力學(xué)表示,你不可能同時(shí)測(cè)量準(zhǔn)確一個(gè)微觀粒子的某些物理量,比如位置和速度。這與我們對(duì)宏觀世界的認(rèn)知完全不同,我們很容易測(cè)量出一個(gè)人準(zhǔn)確的身高和體重,當(dāng)然對(duì)某些明星除外,可能全都測(cè)不準(zhǔn)。
多利羊是可以克隆出來(lái)的,但是量子不行。在本文中,只需要簡(jiǎn)單地理解為沒(méi)有任何方法可以克隆出與某個(gè)光子完全一致的另一個(gè)光子即可。
前面你都接受了,這個(gè)就更簡(jiǎn)單了,只需要理解為光子為*小單位,不可能再把它進(jìn)一步細(xì)分即可。
假如你**次稱(chēng)自己的體重是60kg,接下來(lái)立刻再稱(chēng)一次肯定還是60kg。而在量子領(lǐng)域,你**次測(cè)量某個(gè)量子態(tài)是0,接著再測(cè)量一次同樣量子態(tài)可能就變成了1,這是因?yàn)榱孔討B(tài)在測(cè)量前的具體“值”只是一個(gè)概率分布,在你測(cè)量時(shí)它才會(huì)“坍縮”到某個(gè)具體的“值”。好了,看到這里我相信大家都已經(jīng)武裝到了牙齒,即使以前沒(méi)有相應(yīng)的理論基礎(chǔ),也都可以明白量子通信的基本內(nèi)容了。不過(guò)作為對(duì)比,我們還是先來(lái)看一下傳統(tǒng)通信。傳統(tǒng)通信*大的弊端就是容易被獲取,只要你關(guān)心信息**問(wèn)題,就不得不面對(duì)這一困境,因?yàn)椴还苁怯秒娎|、光纖還是無(wú)線電波,獲取都是很容易的事情。以電纜為例,根據(jù)我們小學(xué)一年級(jí)就學(xué)過(guò)的知識(shí),大聰明只要在中間接一個(gè)萬(wàn)用表或者示波器之類(lèi)的裝置,就能獲取到小美和小帥的悄悄話,而且還不被發(fā)現(xiàn)。
同樣,看起來(lái)很**的光纖通信其實(shí)也很容易被獲取。基本原理是通過(guò)將光纖彎曲,使得部分光信號(hào)外泄,并被相應(yīng)的探測(cè)器探測(cè)到。而由于光纖損耗會(huì)受到環(huán)境因素影響本來(lái)就是飄忽不定的,因此獲取所導(dǎo)致的損耗就會(huì)淹沒(méi)在環(huán)境變化里,使人無(wú)法察覺(jué)。
所以在傳統(tǒng)通信領(lǐng)域,各種加密就顯得尤為重要,例如采用基于大質(zhì)數(shù)P*Q的質(zhì)因子分解困難性的RSA加密等等。那么,就沒(méi)有****的通信方式了么?當(dāng)人們將目光投向了有著諸多“神秘”特性的量子力學(xué)領(lǐng)域時(shí),突然發(fā)現(xiàn),原來(lái)答案就藏在那飄忽不定之中。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō),量子通信就是利用量子力學(xué)原理的一種通信形式,它主要是利用量子力學(xué)中的不確定性、測(cè)量坍縮和不可克隆三大原理,提供了無(wú)法被獲取(或者說(shuō)獲取必被覺(jué)察)和計(jì)算破解的****性保證。當(dāng)然,這里所說(shuō)的**指的是在原理層面上,假如你通過(guò)社會(huì)工程學(xué)方面進(jìn)行攻擊,比如說(shuō)買(mǎi)通了操作員,那就是另外一個(gè)問(wèn)題了。目前火熱的量子通信嚴(yán)格來(lái)說(shuō)都是基于光子實(shí)現(xiàn)的“量子加密通訊”或者說(shuō)“量子密鑰分發(fā)(Quantum Key Distribution即QKD)”。因?yàn)槲覀儾豢赡芎馁M(fèi)巨大的資源去傳輸整個(gè)數(shù)據(jù),于是便只通過(guò)量子信道去傳輸密鑰,發(fā)送方使用密鑰對(duì)數(shù)據(jù)加密后,再通過(guò)傳統(tǒng)通道進(jìn)行傳輸,*后由接收方用密鑰進(jìn)行解密。由于量子通信保證了密鑰無(wú)法被竊取,也就保證了數(shù)據(jù)的**性。那么量子通信該如何進(jìn)行呢?方式和協(xié)議當(dāng)然會(huì)有多種,不過(guò)*值得一說(shuō)的,自然是有名的BB84協(xié)議。顧名思義,BB84協(xié)議是在1984年,由IBM公司的Bennet和加拿大人Brassard共同提出來(lái)的量子密鑰分發(fā)概念和協(xié)議,后來(lái)又得到進(jìn)一步改進(jìn),并由科學(xué)家在2001年從理論上證明了**的BB84協(xié)議,具有無(wú)條件的**性。不過(guò)這不重要,重要的是有了前面量子力學(xué)速成的幫助,這個(gè)協(xié)議我們每個(gè)人都能看懂,接下來(lái)我們就一起看一下吧:BB84協(xié)議要求兩個(gè)通信信道,一個(gè)是量子信道,一個(gè)是傳統(tǒng)信道(下文就用電話為例)。同時(shí)我們選擇以光子進(jìn)行量子通信。小美要發(fā)送信息給小帥,她有4個(gè)單光子發(fā)送裝置,分別可以發(fā)送水平偏振光、豎直偏振光、左斜偏振光和右斜偏振光的裝置,并和小帥約定好了,自己發(fā)送的水平和左斜的偏振光子代表0,豎直和右斜的偏振光子代表1,如下圖所示:
小帥作為接收方,他也有兩個(gè)工具,一個(gè)是+型接收器,只允許水平或豎直偏振光通過(guò),另一個(gè)是×型接收器,只允許左斜或右斜偏振光通過(guò),如下圖所示:
同時(shí)要求,小美每次隨機(jī)從她的四個(gè)裝置中選擇一個(gè)來(lái)發(fā)送一個(gè)光子給小帥,小帥每次也隨機(jī)從他兩個(gè)接收器中選擇一個(gè)來(lái)接收,注意,是雙隨機(jī)哦。基于前面的設(shè)定,當(dāng)小美發(fā)送信息并由小帥接收后就會(huì)出現(xiàn)多種情況,具體組合如下圖所示:
從圖中可以看到,如果小帥恰好選用了+型器接收到水平或豎直光子時(shí)、或者恰好用×型接收器接收到左斜和右斜光子時(shí),就能正確的知道小美發(fā)送的信息是什么。而如果用錯(cuò)了接收器,光子為了“適應(yīng)”接收器,它在通過(guò)接收器后就會(huì)由于測(cè)量坍縮效應(yīng)而等概率地變成接收器的兩個(gè)方向之一,也就是說(shuō)會(huì)五五開(kāi)知道小美發(fā)送了什么。這樣整體計(jì)算下來(lái),傳遞一個(gè)光子的誤碼率大概為:
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**步,小美決定發(fā)送一個(gè)二進(jìn)制序列10110011010011,注意是小美自己隨機(jī)決定的,任何其他人都不知道,包括小帥和大聰明。
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**步,小美隨機(jī)的為每個(gè)二進(jìn)位選擇了一個(gè)發(fā)送裝置,比如對(duì)于0,可能用水平也可能用左斜發(fā)送器。
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第三步,針對(duì)小美發(fā)送的每一個(gè)二進(jìn)制位,小帥隨機(jī)的選擇一個(gè)接收器來(lái)接收。
至此,量子信道的交互就完成了。由于兩人都是隨機(jī)選擇,所以為書(shū)寫(xiě)方便,我們不妨假設(shè)隨機(jī)選擇的結(jié)果如下圖所示:
根據(jù)上圖很容易就可以看出,比如第3位小帥就接收錯(cuò)誤,第7位卻歪打正著接收正確了。接下來(lái)的通信都在傳統(tǒng)信道上進(jìn)行了。
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第四步,小帥打電話告訴小美自己針對(duì)每一個(gè)位都選擇了什么接收器,大聰明即使知道了小帥用了什么接收器,然而卻不知道小帥的接收結(jié)果,因此毫無(wú)意義。
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第五步,小美對(duì)比自己的發(fā)送器使用情況,顯然能知道小帥在哪些位置用對(duì)了接收器,哪些位置用錯(cuò)了接收器,在本例中就是第1、4、5、6、8、9、10、12、14位,她把這個(gè)結(jié)果告訴小帥。
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第六步,小帥從這些位置中隨機(jī)選出幾個(gè),比如8、10、12,告訴小美自己的測(cè)量結(jié)果是101。
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第七步,小美核對(duì)一下如果自己發(fā)送的的確是101就告訴小帥OK,否則肯定是有人獲取或其它原因,可以選擇中止通信或者重新從**步開(kāi)始。
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第八步,兩人按照約定,剔除掉第六步中的三個(gè)位置,即只使用1、4、5、6、9這五個(gè)位置,這五個(gè)位置上發(fā)送的二進(jìn)制位是11000,就把它當(dāng)作密鑰來(lái)使用。
整個(gè)過(guò)程就是這么簡(jiǎn)單,不要告訴我你沒(méi)看懂,否則那一定是我描述的不夠好,于是我強(qiáng)烈建議你把這文章叉掉,再給我一次機(jī)會(huì)從頭看起,順便轉(zhuǎn)發(fā)你朋友圈圍觀一下。
那么,量子通信的**性是如何保證的呢?我相信聰明的你一定早就發(fā)現(xiàn)了,前面量子力學(xué)速成里的好多知識(shí)還沒(méi)用上,沒(méi)錯(cuò),就是它們完成了這一項(xiàng)艱巨的任務(wù)。
首先來(lái)看一下量子信道上的通信,假設(shè)大聰明能夠截獲小美發(fā)送的光子,由于光子不可克隆,因此大聰明沒(méi)法克隆一個(gè)光子來(lái)進(jìn)行測(cè)量并保證原光子未改變?cè)侔l(fā)送給小帥;假設(shè)大聰明直接對(duì)這個(gè)光子測(cè)量后再發(fā)送給小帥,又由于測(cè)量坍縮,光子的狀態(tài)會(huì)被改變,小帥就可能接收不到小美發(fā)送的正確信息,會(huì)導(dǎo)致通信的誤碼率大大上升,小美和小帥就會(huì)發(fā)現(xiàn)有人在獲取,直接選擇中止通信或重新進(jìn)行密鑰分發(fā),前面的第六、七步其實(shí)就是一個(gè)校驗(yàn)。在第七步時(shí),如果有人獲取,那么小帥發(fā)給小美的就可能不是101而是110或者其它。大聰明對(duì)每一位進(jìn)行獲取測(cè)量以后,就相當(dāng)于重新發(fā)送了一個(gè)光子給小帥,按照前面的計(jì)算,本來(lái)不會(huì)出錯(cuò)的每個(gè)光子就會(huì)出現(xiàn)25%的誤碼率。那么我們很容易就算出,獲取后還能**的發(fā)送無(wú)錯(cuò)誤信息不被發(fā)現(xiàn)的概率只有:
假如我們的校驗(yàn)位提高到32位,那么不被發(fā)現(xiàn)的概率就約只有了。
再來(lái)看一下傳統(tǒng)信道上,即使傳統(tǒng)信道是完全開(kāi)放的,大聰明也只能知道小帥用了哪些接收器、哪些接收器接收正確,還能知道幾個(gè)正確的接收值,然而這幾個(gè)接收值又被舍棄了,因此這些信息對(duì)大聰明而言完全無(wú)用。
這樣,量子通信就從原理上保證了**的**性。
不過(guò),話又說(shuō)回來(lái),量子通信真的就那么牢不可破嗎?
當(dāng)然不是。前面已經(jīng)提到,社會(huì)工程學(xué)攻擊依然可以大行其道。另外在純技術(shù)層面上,量子通信的**場(chǎng)景也不存在。例如:現(xiàn)在仍沒(méi)有成熟的技術(shù)可以一次只發(fā)送一個(gè)光子,大聰明如果攔截了一次發(fā)送的多個(gè)光子中的幾個(gè),并不會(huì)影響誤碼率。當(dāng)然攻擊的方式也可以是多種多樣的,本著我聽(tīng)不到也讓你們倆聊不成的原則,大聰明可以用類(lèi)似DDOS的方式野蠻介入,你發(fā)現(xiàn)我獲取怎么著,我就讓你們完不成密鑰交換,這豈不也是一種方式?
看到現(xiàn)在,相信大家對(duì)量子通信已經(jīng)有了一個(gè)初步的認(rèn)識(shí)。什么?你說(shuō)為什么我沒(méi)說(shuō)量子糾纏?因?yàn)樗覀儸F(xiàn)在的量子通信完全沒(méi)有關(guān)系。不過(guò)終究我還是要談一下的,但本著不能貪多嚼不爛的原則,我決定把它留到下一篇——量子隱形傳態(tài)——里再說(shuō),咱們下回再見(jiàn)。