史上最強最燒腦的反竊聽密碼學：量子秘鑰分發_BOB:Reality Clash Coin

波爾說過，如果有人在第一次聽到量子理論的時候，沒有感到惱火，說明他根本沒有聽明白。

這句話說明了和量子有關的一切都變得復雜、反常識、反直覺，也就是不好理解。

下面的電影圖片只是增加一些課堂前的放松，下面的內容依然非常燒腦，請不要因為娛樂而失去了嚴肅性。希望我們團結緊張，希望氣氛嚴肅活潑。

電影中總是出現竊聽的情節，正派反派都在用，只是電影中的密碼學比較簡單，也就是高性能軍用的竊聽器而已，而反偵察一般是懷疑后，拿著探測器去找，這是非常弱雞的做法，如何反竊聽？最好的反竊聽就是，一旦有人竊聽，我立即知道有人竊聽了。下面我們講的就是這樣一個方法，而且是目前人類最高端的玩兒法：量子通訊。

前面的文章講了很多很多的加密，但是有一個問題沒有解決，就是通信問題，鑰匙復雜到讓別人很難破解是一回兒事兒，比如恩尼格瑪機加密；整體的安全性是另外一回事兒，比如這個加密的鑰匙被別人知道了，這個人是接收者以外的人。

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回顧密碼學的基本原理

A想傳輸一個詞給B，于是她想到了之前文章學到的移位替換加密法，比如這個單詞是btc，“字母加一”就是cud，沒有什么含義或者說真實的含義不是原文的含義。

Btc這個詞就是原文或者明文，而實際輸出的文字就是密文。秘鑰是什么呢？字母加一，對于收到信息的Bob就知道了這個秘鑰，于是他對cud每個字母減一，就得到了原文BTC，這樣的話就是解密了。

傳輸的東西叫做鑰匙，這個秘鑰理論上是存在可以破解的可能的，即使是現在破解不了的鑰匙，如果鑰匙被人竊聽了，也是會直接破解。

所以密碼學有兩塊內容：秘鑰和傳遞秘鑰。這兩個都安全，才是真正的安全。

?如果有一種措施，只要別人竊聽了你的秘鑰，在竊聽后，鑰匙就變了，那這個傳輸就會非常安全。

量子通訊

這是一個非常復雜的問題，我們今天只是講述下量子通訊中的量子秘鑰分發機制，不涉及量子糾纏以及量子計算。這種機制最早的是BB84協議，是量子密碼學中第一個密鑰分發協議，由Bennett和Brassard在1984年提出，也是使用和實驗最多的量子密鑰分發方案之一。

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這種協議要實現有兩個通道，經典通道和量子通道。經典通道是保證收發信息雙發的信息交流的，比如email、電話等等都可以，在本文的語境下，經典通道被竊聽也沒太大關系；量子通道，顧名思義，就是傳遞量子態的。

下面的內容就是關于量子秘鑰分發的兩種解釋方法，之所以寫兩種解釋的模型，你一定可以通過其中一種解釋或者結合兩種模型，理解量子秘鑰分發這個神奇的東西。

第一種解釋的簡化模型

測不準原理的簡化闡述

比如，光子有圓形偏振狀態和線性偏振狀態，左旋、右旋、上下、左右。

詭異的事情來了，測量的過程會影響對光子偏振狀態的測定。

比如有個棚子里，我去觀測一下，為了更加逼真地類比，正常人類是一下子看到這是一頭白牛，這樣，我們透過牛棚墻上的孔去看，一次只能看到一小片區域，比如先看到了是白色的，然后移動下視角，看到是個牛角。然后就是一頭白色的牛。

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無論我去先看顏色還是先看頭上的角，得到的最后結論就是白色的牛。不會是黑色的羊、白色的羊、黑色的牛這三種情況。但是，量子的世界里，不是這么回事兒。你看到的可能是一頭奶牛——這是開玩笑，你看到的可能是一頭白羊、黑牛等等，因為兩者之間的關系是隨機的。

量子里面測量的結果是和測量過程有關系的。在沒有觀測之前是糾纏態。不清楚到底是什么狀態，測量完了也不知道測量前是什么狀態。

比如你測量的是一個光子，光子的狀態簡化一下是：圓偏振和線偏振。你先觀測圓偏振，再測量線偏振，你得到的是一個左旋水平偏振光。如同上文觀測的先看顏色后看物種，你得到的就是白牛。

但是，如果你先看線性偏振后觀測圓形偏振的話，你得到的可能是各種狀態，是隨機的。類比宏觀現象就是，你先看物種，后看顏色，不一定是白牛，得到的可能是黑牛、白羊、黑羊。

這個就比較詭異。而且測量完之后，光子的狀態就變了，測量之前是糾纏態，類似薛定諤的貓咪，不知道死沒死，測量完，變化了。類似棚子里一頭白牛，你看完后變成了黑羊。

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觀測順序影響觀測結果。

好了，理論解釋完畢，現在讓Alice給Bob再發一次信息。只需要保證秘鑰給Bob很安全，密文就可以公開發給Bob，

Alice發射一些光子給Bob，比如說是六個光子。她去測量一下如A圖。

這個時候Bob也收到了光子，他也測量一下，按照自己的方法，如B圖。

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當然，你把上文中的類型改成黑白和牛羊的類比也是一樣的。

然后Alice給Bob去個電話說一聲，說你的1、5和6的測量方法是一樣的。

那么，1、5和6的結果應該是一樣的。別的策略方法不同就不要了。

不同的狀態在計算機面前都可以簡單的記錄為1和0，比如規定左旋是1，右旋是0，豎直是1，水平是0.?這個時候上圖的秘鑰就是111.?這個光子數多一些，這樣可以得到一組隨機數，然后這個就是秘鑰了。有可能出來是101010000010100010這樣的數字串。

這個時候，出現了竊聽者名C，叫Caocao吧，這個時候，他“竊聽”了光子1，他也是測量圓偏振，發現是左旋，這時候，Bob收到光子1，他測量也是圓偏振，結果不變。Bob不會發現這件事兒。

但是呢caocao不知道a和b是怎么測量的，caocao去用線偏振去測量光子1，這時候得到的結果是水平，這時候Bob收到了光子，然后他測量的圓偏振狀態就不一定是左旋了，因為根據上文說的，測量過程會影響測量結果，這時候他的結果就和Alice不一樣了，然后就知道他有竊聽者了。Caocao竊聽的時候不可能每一次都猜對，這樣的數字串達到一定的長度后，只要出現竊聽者，A和B經過一些比對，就會知道自己的信息被竊聽了，不用這個鑰匙了，換一組密碼。

第二種解釋的簡化模型：

BB84協議還有一種更通用的經典的解釋。

四種不同偏振態的光子，0度，90度，45度，135，如上圖所示。

1，??Alice可以隨機選擇偏振片，+形或者x形偏振片隨機生成偏振態；

2，??選定偏振方向的光子通過量子通道發給B；

3，??Bob這時候也隨機選用+形或者x形偏振片去測量光子的偏振方向；

4，??B將測量結果保密，同時，將他使用的偏振片通過經典通道告訴Alice；

5，??A對比和B使用的偏振片，然后經典通道告訴B那些和她一樣，那些不一樣；

6，??B拋棄和A使用的不同的偏振片的結果，保留和A一樣的偏振片的結果，統計學上顯示應該是扔掉一半的結果。

隨機排布偏振片，和A比對后，鑰匙才形成，加密過程才開始。規定好什么狀態對應0什么狀態對應1就可以很簡單的對應成由0和1組成的鑰匙。

簡單來說，就是量子秘鑰的制備過程就是利用光子的偏振性。這很安全嗎？是的，這個時候，C出現了他要竊聽，攔截光子后，開始用偏振片測量，這時候他的錯誤率也是50%，測量完之后，發給B，B也不知道，然后通過竊聽經典通道的信息去知道怎么去排出來正確的偏振片，但是也不對，因為他測量光子的時候光子已經變化了，倆人只要核對測量結果，就會發現B是解不了密的，那么這就說明這個通路已經被人竊聽了。

當然，你要問C在竊聽光子后，可以不測量，而是生成一個一模一樣的光子，然后把原來的光子發給C，這樣不就可以了嗎？這樣也不會讓量子態變化？但是，也不可能，因為量子，還有另外一個特性就是不可克隆性，根本無法生成另外一個一模一樣的光子。

說得更饒一些，其實，量子秘鑰的傳輸和生成是同時發生的。

因為B接受到光子后，經典通道告訴A，他用的是怎樣的測量方式的時候，A才會用和B一樣順序的偏振片去加密信息。B收到光子沒有測量的時候，其實秘鑰還沒有產生呢。

以上都是量子秘鑰分發的基本方式之一。量子加密是目前世界上最高端的加密方法，有應用但是還沒有大規模應用。注意，上面所講的只是量子加密中的秘鑰分發原理，并不是鑰匙本身的加密。最近量子計算、量子加密等等詞匯變得常見，這個概念也走入了人們視野。

量子計算到底怎么樣？是不是可以破解我們的比特幣私鑰，是不是我的加密資產已經不安全了？

先不要著急，著急也是交易所先著急，這么說吧，如果現在有人能夠使用量子算力加密解密的話，人家根本看不到你錢包里那幾萬個比特幣，直接攻擊全球金融系統就好了。

量子計算更加復雜，下一篇文章會說一說，最近這個甚囂塵上的概念。

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