[科普中国]-量子密钥分发能实现量子通信吗？

中国科学院日前召开新闻发布会，宣布量子科学实验卫星“墨子号”在国际上首次成功实现从卫星到地面的量子密钥分发和从地面到卫星的量子隐形传态，两项成果于8月10日同时在线发表在国际权威学术期刊《自然》杂志上。

至此，“墨子号”提前圆满实现全部三大既定科学目标，为我国在未来继续引领世界量子通信技术发展和空间尺度量子物理基本问题检验前沿研究奠定了坚实的科学与技术基础。

量子号科学实验任务（来源网络）

我们知道量子卫星有三大任务：**通过量子卫星实现卫星和地面的量子密钥分发，从而实现广域的量子保密通信；**对量子力学本身的基本原理进行检验的实验任务；连接中国和奥地利之间的量子通信网，以证明全球规模的量子通信网络设想是可行的。

我们知道量子通信作为迄今为止唯一被严格证明是无条件安全的通信方式，在金融、军事和政务等领域的应用前景得到了世界各国的广泛关注，那么这种保密措施通过何种方式实现？本次达成的量子密钥分发成就与量子通信又有什么关系？

量子密钥分发是什么？

保密通信是密码学的重要内容，其基本原理是采用密钥 （0，1的随机数列）通过加密算法将甲方要发送的信息（明文）变换成密文，在公开信道上发送到合法用户乙方处，乙方采用密钥从密文中提取所要的明文。

量子密码（图片来源于网络）

如果甲乙双方采用相同的密钥（即）则称为对称密码或私密密码。如果相反，则称为非对称密码或公开密码，其中公开密钥只为乙方私人拥有。如果任何窃听者在不知晓密钥却可以从秘文提取出明文，则这种密码体系是不安全的。

密钥使用流程（来源网络）

那么有没有令所有专家都无法破解的密码？有！

早在上世纪四十年代，著名的信息论鼻祖香农采用信息论严格证明，如果密钥长度与明文长度一样长，而且用过后不再重复使用，则这种密文是绝对无法破译的，俗称为“一次一密”。

那么为何这种“一次一密”的密码未被推广使用呢？原来 “一次一密”要大量消耗“密钥”，需要甲乙双方不断地更新密码本，而“密码本”的传送（称为“密钥分发”）本质上是不安全的。采用不安全的密钥来实施“一次一密”加密仍然是不安全的。

那么是否有什么办法可以确保密钥分发是安全的？

有，这就是“量子密钥分发”（缩写为“QKD”）！

量子密钥分发的优势

“量子密钥分发**”应用到量子力学的基本特性**（如量子不可克隆性，量子不确定性等）**来确保任何企图窃取传送中的密钥都会被合法用户所发现，这是QKD比传统密钥分发所具有的独特优势，**后者原则上难于判断手头的密码本是否已被窃听者复制过。

QKD****的另一个优点是无需保存“密码本”，只是在甲乙双方需要实施保密通信时，实时地进行量子密钥分发，然后使用这个被确认是安全的密钥实现“一次一密”的经典保密通信，这样可避开保存密码本的安全隐患。

量子密钥分发的过程

量子密钥分发的过程大致如下：单个光子通常作为偏振或相位自由度的量子比特，可以把欲传递的0，1随机数编码到这个量子叠加态上，比如，事先约定，光子的圆偏振代表1，线偏振代表0。光源发出一个光子，甲方随机地将每个光子分别制备成圆偏振态或线偏振态，然后发给合法用户乙方，乙方接收到光子，为确认它的偏振态（即0或1），便随机地采用圆偏光或线偏光的检偏器测量。

如果检偏器的类型恰好与被测的光子偏振态一致，则测出的随机数与甲所编码的随机数必然相同，否则，乙所测得的随机数就可能与甲方发射的不同。乙方把甲方发射来的光子逐一测量，记录下测量的结果。然后乙方经由公开信道告诉甲方他所采用的检偏器类型。

这时甲方便能知道乙方检测时哪些光子被正确地检测，哪些未被正确地检测，可能出错，于是他告诉乙方仅留下正确检测的结果作为密钥，这样双方就拥有完全一致的0，1随机数序列。

量子密钥分发图示（来源网络）

如果有窃听者在此过程中企图骗取这个密钥，他有两种策略：一是将甲发来的量子比特克隆后发给乙方。但量子不可克隆性确保窃听者无法克隆出正确的量子比特序列，因而也无法获得最终的密钥。

另一种是窃听者随机地选择检偏器，测量每个量子比特所编码的随机数，然后将测量后的量子比特冒充甲方的量子比特发送给乙方。按照量子力学的假定，测量必然会干扰量子态，因此这个“冒充”的量子比特与原始的量子比特可能不一样，这将导致甲乙双方最终形成的随机数序列出现误差，他们经由随机比对，只要发现误码率异常地高，便知有窃听者存在。

量子密钥分发和量子通信的关系

上述的保密通信，实质上是“一次一密”的经典通信，只是密钥是由QKD生成的，通常也称为量子保密通信。

量子密码是量子通信吗？答案是否定的！

所谓“通信”简单地说就是传递信息（即“明文”）。量子密码只是传送经典随机数而已，不包含有任何信息内容，因此，与“通信”无关。量子保密通信实际上包括由QKD生成的安全密码和“一次一密”经典通信两个部分，本质上仍然是经典通信。

真正的“量子通信”有其确切的内涵，即将信息编码在量子比特上，在量子通道上将量子比特从甲方传给乙方，直接实现信息的传递。那么这种真正的“量子通信”离我们究竟还有多远？

开启量子通信新时代

随着量子卫星的发射升空和下半年“京沪干线”的完工，中国的广域量子通信体系为率先建成全球化的量子通信卫星网络奠定了基础，“天地一体化”的量子通信网络即将铺就，历经30余年的量子信息研究也将步入深化应用的时代。也许就在不远的将来，量子通信技术将如同手机、电脑一般，走入寻常百姓家。