量子通信是经典通信和量子力学结合的一门交叉学科。文章综述了量子通信的基本原理、方法与应用;介绍了量子通信技术近年来取得的应用，并对未来发展作了展望。
在信息时代，网络安全是一个严峻的问题。信息安全已经得到了各国政府的高度重视，一方面要保护自己的安全，另一方面要攻击对方，信息保护的升级刻不容缓。
1 现代密码学
现代密码学的基本思想是发送方使用加密算法和密钥，将要保密的信息变成数字发送给接收方。密钥是随机数0、1，将其与要传送的数字明文放在一起，用加密算法把它们变成密文，密文就是传送的信息。接收方使用事先定好的相应的解密算法，反变换将明文提取出。
密码体制分为两类：一类叫对称密钥(非公开密钥)，它的加密密钥和解密密钥相同，通信双方需要事先共享相同的密钥，关键在于如何安全地传递密钥。其中有一种一次一密(one time pad)的密码，用与明文等长的二进制密钥与明文异或得密文，并且每个密钥使用一次就销毁，根据香农的证明一次一密是无法破译的。
另一类叫非对称密钥(公开密钥)，加密密钥和解密密钥不相同，加密密钥公开，发送者发送密钥与明文混合之后的密文，接受者使用不相同的密钥解出密文。从公开的加密密钥推导出解密密钥需要耗费极巨大的资源，虽然原则上可破解，但实际做不到，所以，在当今社会受到广泛使用。
一旦量子计算机研制成功，它可以更快速的破解数学难题，公开密钥就面临了严峻挑战。
2 量子密码
无论采用哪种方法，都无法避免“截取-重发”的威胁。为了应对强大的量子计算机，需要无条件安全的一次一密的加密方案;但必须解决密钥分配的安全性，可以借助于量子信息作为密钥传输的工具。一次一密不可破译加上密钥传输不可以窃听，从理论上就可以做一个“绝对安全”的量子保密通信。
量子密码是利用信息载体(例如光子等粒子)的量子特性，以量子态作为符号描述的密码，它的安全性是由量子力学的物理原理保障的。
①测量塌缩理论：除非该量子态本身即为测量算符的本征态，否则对量子态进行测量会导致“波包塌缩”，即测量将会改变最初的量子态。②不确定原理：不能同时精准测量两个非对易物理量。③不可克隆原理：无法对一个未知的量子态进行精确的复制。④单个光子不可再分：不存在半个光子。
3 量子通信
量子通信，广义是指量子态从一个地方传送到另一个地方，内容包括量子隐形传态、量子纠缠交换、量子密钥分配;狭义上是指量子密钥分配或基于量子密钥分配的密码通信。本文讲述的是狭义的量子通信。
3.1 单光子的偏振态
本文介绍采用BB84协议实现的量子通信，在发送者和接收者之间用单光子的偏振态作为信息的载体。有两种模式：一个是直线模式，光子偏振态的偏振方向是垂直或者水平，如图1所示;一个是斜线(对角)模式，光子偏振态的偏振方向与垂直线称45 ?觷角，如图2所示。
3.2 基于BB84协议下的“制备-测量”
依照惯例，密码学家称发送者为Alice，接收者为Bob。Alice随机用直线模式或对角模式发出光子，并记录下不同的指向。Bob也随机决定用两种模式之一测量接收到的光子，同时记下采用检偏器的模式和测量结果值。传送结束后，Alice与Bob联络，Bob告诉Alice他分别采用哪种模式测量，然后Alice会告诉Bob哪些模式是错误的，这一过程无须保密。之后他们会删除使用错误模式测量的光子，而正确模式测量出的光子按照统一规定变成0、1码后，就成为量子密钥。
3.3 发生窃听
根据“海森堡测不准原理”，任何测量都无法穷尽量子的所有信息。因此，窃听者想要复制一个完全相同的光子是根本不可能的事情。同时，任何截获或测量量子密钥的操作都会改变量子状态，窃听者只得到无意义的信息，而信息合法接受者也可以从量子态的改变，知道存在窃听者。
密码学家通常称窃听者为Eve，同Bob一样只能随机选择一种测量模式，当她采用错误的测量方式对某一光子测量时，由于波包塌缩，光子的偏振态会改变。比如，Eve使用对角模式测量直线模式下的光子态，光子态会塌缩为对角模式。之后即使Bob选择了正确的测量模式测量该光子，Bob可能会得到不符合编码信息的测量结果，这就产生了误差，具体通信过程如图3所示。
Eve窃听一个光子采用错误测量模式的概率是50%;采用错误模式时，信息可能变成0，也可能变成1，他有25%的概率被发现。但密钥并非一个光子组成，光子数越多被发现的概率就会越高。当误码率低于阈值，就可以称这个密码是安全的;当误码率超过阈值，就称密码被窃听，重新再制备新的密钥，一直检查到密钥在建立过程中没有窃听者存在，接下来进行一次一密的传送。通过这种方式能保证密钥本身安全，并且加密密文不可破译，这就是量子通信的安全性所在。
3.4 量子信道与经典信道
发送方通过量子信道传送量子态光子，接收方用两种不同类型的检偏器测量，检测出0、1组成的量子密钥，还需要一个经典信道。因为是采用一次一密方式，所以经典信道需要定时传送同步信号。
4 量子通信现状
由于量子通信技术的各种优势，国际上的一些国家，特别是美国、日本、欧盟都投入了大量的人力物力，进行量子通信的理论与实验研究。2002年美国BBN公司，哈佛大学和波士顿大学开始联合建造DARPA网络。2010年日本在三个政府机构之间使用量子密钥分配技术，并与2010年10月在东京演示了一个城域量子保密通信网。2010年西班牙马德里建成欧盟第一个城域QKD网络。我国也在量子通信技术的道路上不断发展。2012年“金融信息量子通信验证网”是世界首次利用量子通信网络实现金融信息的传输。2012年党的“十八大”期间在部分核心部位部署量子通信系统。2013年量子保密通信“京沪干线”正式立项，打造广域量子通信网络。
5 结 语
量子通信还有一些技术难题未攻破，例如信道的干扰，设备的非理想特性，身份验证、密钥存储等技术需要进一步改良等等。虽然理想情况量子密码不可破，但在实际中还有一些漏洞需要考虑。在未来几年，相信我国在中央、地方政府及相关部门大力支持下，通过相关科研团队的努力，量子通信技术会不断完善，量子通信产业也必将取得飞速发展。
作者：王尊 来源：企业技术开发·下旬刊 2015年6期
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