1.1  传统通信加密方式

目前最为广泛应用的密码体制是1977年由Ron Rivest、Adi Shamir 和 LeonardAdleman 一起提出的公钥加密算法，算法基于一个十分简单的数论事实：两个大素数相乘十分容易，但是想要对其乘积进行因式分解却极其困难，因此可以将乘积公开作为加密密钥。

公钥体系的原理为：用户Ａ有一对密钥对，分为公钥和私钥，这对密钥对是唯一的，是通过对一个巨大的素数进行因数分解所得。当用公钥加密过的信息，只能使用与它配对的私钥来解密，反之亦然，私钥加密码的信息也只能用公钥来解密。这样，Ａ从认证体系生成密钥对后，把它的私钥保存好，把公钥公开出去，当一个用户B要与Ａ通信，又想确保数据安全时，就可以使用Ａ的公钥来加密信息，再把密文传给Ａ，因此这个世界是只有Ａ手中的私钥才能对这个密文进行解密，这样就确保了信息的安全。

然而人们并没有完全证明破译的运算量是现有技术所无法完成的，例如，1977年，美国给出一道数学难题，其解密需要将一个129 位数分解成一个64位和一个65位素数的乘积，以当时的计算机需要用4046年，但到1994年，只需用8个月即能解出。

计算机的计算能力以指数爆炸的形式增长，目前世界上最快的超级计算机每秒可执行12.5亿亿次浮点计算、系统有1000万个核，它在一分钟里可以完成的计算量，相当于全球72亿人用计算器不间断地计算32年。

1.2  传统加密方式将被量子计算机解密

在分布式计算和量子计算机理论日趋成熟的今天，加密安全性更是受到了极大挑战。在1994年，Peter Shor就发明了一个量子算法（Shor算法），它展示了一个足够大的量子计算机，在理论上是能够把质因数分解的时间复杂性降到多项式的时间。如果能把解密复杂度变成多项式的时间，那么基于任何模型下的大数，都能够很“轻易” 地被破解。

那么不需要等待多年后计算能力的进一步提高，密钥将被轻易破解，因此过去的公钥加密在理论上已不再安全，公钥体系面临崩溃。

2017年7月21日，美国斯坦福大学物理学教授张首晟及其团队在《科学》杂志上发表了一项重大发现：在历经80年的探索之后，他们终于发现了“马约拉纳费米子”（Majorana fermion）的存在。1937年意大利物理学家埃托雷·马约拉纳预言，自然界中可能存在一种与其反粒子完全相同的特殊粒子，也就是马约拉纳费米子，由于其反粒子就是本身的特殊性质，使其拥有非常理想的稳定性，对于实现稳定的量子计算具有非同一般的重要意义。

与传统计算机不同，量子计算机将通过量子比特（quantum bits）传输数据。量子比特呈现为量子状态，它们能够同时既是0又是1。问题是，科学家很难找到一种能够充当量子比特同时又不容易与附近物质互相作用——这种相互作用将破坏量子系统——的粒子。但马约拉纳费米子可以解决这个难题。

“马约拉纳费米子”的发现将大幅推进量子计算机的研发进程，传统通信加密方式将面临最强之矛——量子计算机的挑战，而作为量子理论上不可破解之盾——量子通信技术，已经在各个专用领域逐步推广，预计将在解密危机到来之前占领全球万亿级的通信市场。

2.1  什么是量子

量子，并不是一种具体粒子，而是物理学中基本能量粒子的统称。量子的观点认为分子、原子、电子等微观粒子都是量子的表现形态。所以世界万物可以说都是由量子构成，如一束光中就可以包含上万亿个光量子。

19世纪物理学家提出的量子概念指出，微观世界中量子是能量的最小单位，不能再分。量子之于万物，就像像素之于数字图片。目前的量子通信，本质上仍然是光通信，可以基于光纤传输，也可以基于自由空间的无线传输。

对于光子，或者说光量子，在具有粒子性的同时也具有波动性，即光也是一种电子波，具有特定的振动方向，在传播过程中具有偏振特性，而这个特性将被应用于本文的量子通信。

2.2  什么是量子通信

量子通信是量子物理学和密码学相结合的一门新兴学科，利用量子态的物理性质为通信双方提供绝对安全的通信方式。

量子保密通信从量子力学不确定性原理和量子态不可克隆定理出发，从理论上保证了保密性，即通信双方能够检测到窃听者的存在并采取相应的措施。这一特性是由量子物理的基本原理所保证的，因为观察或者测量一个量子系统均会造成量子态的扰动，从而造成可以检测的反常，提醒通信双方泄密。

量子通信核心优势：无条件安全、高效和抗干扰。

1、量子密钥分配彻底解决密钥分发过程中的安全性问题。

量子的不可复制性是量子通信安全性的基础。量子信息若被监测，就会发生不可还原的改变，观测行为会破坏粒子本身的状态，这使得量子通信具有了无条件的安全性。

如果发生窃听将破坏系统产生误码，通信双方都能够觉察。量子密码不是依赖于计算的复杂度，而是基于量子力学原理，原理是“海森堡测不准原理（Heisenberg uncertainty principle）”中所包含的一个特性，即当有人对量子系统进行偷窥时，同时也会破坏这个系统。

2、量子传输信息效率远高于传统方式。

根据量子力学的叠加原理，一个n维量子态的本征展开式有项，每项前面都有一个系数，传输一个量子态相当于同时传输这个数据。量子并行性使得量子计算机可以同时对2^n个数进行数学运算，其效果相当于经典计算机重复实施2^n次操作。

3、量子通信具有较强抗干扰能力和传输能力。

量子通信不通过通信双方之间的空间且无通信媒介的限制，从而通信丝毫不受通信双方之间的空间环境的影响。量子通信中的信息传输与通信双方之间的传播媒介无关，具有完好的抗干扰性能，同等条件下，获得可靠通信所需的信噪比比传统通信手段低30～40dB。

目前，按照所使用的信道不同，量子通信主要分为两种： 广义的量子隐形传送与狭义的量子密码通信。

广义的量子通信：

通常指的是量子隐形传送（QuantumTeleportation），其利用量子纠缠态的特性，通过将某个粒子的未知量子态传送到另一个地方来实现信息传递。通信过程中传输的只是表达量子信息的“状态”，并不传输作为信息载体的量子本身。即把另一个粒子制备到该量子态上，而原来的粒子仍留在原处。

基于量子隐形传送可以延伸出的一项通信技术是量子安全直接通信（QuantumSafe Direct Communication）。但QSDC方案还存在非实时及其量子信道信息所需要的纠缠态、量子存储等技术还不成熟的问题，所以仍然停留在实验室阶段。

狭义量子通信：

通常是指量子密钥分配（Quantum Key Distribution），即利用量子状态来作为信息加密和解密的密钥。根据联通西安研究院席晓等的研究资料，量子密钥分配以量子态为信息载体，基于量子力学的测不准关系和量子不可克隆定理，通过量子信道使通信收发双方共享密钥，是密码学与量子力学相结合的产物。QKD技术在通信中并不传输密文，只是利用量子信道传输密钥，将密钥分配到通信双方。

2.3  量子通信的发展历程

从 20 世纪90年代至今，量子通信技术在欧美等国家紧锣密鼓竞相研发。目前，量子通信已逐步由理论走向实验，并加快朝着产业化方向发展。在发达国家，特别是美国、日本、欧洲等国都纷纷投入大量人力、物力、财力，积极投入到对量子通信的研究，踊跃推广量子通信技术的应用。目前量子通信技术走在前列的主要有美国、欧洲和中国。研究成果方面，欧洲领先于美国，欧洲两位率先发表量子隐形传态研究论文的物理学家 Anton Zeilinger和 Nicolas Gisin 被认为是诺贝尔物理学奖的热门人选。

在量子通信的应用方面，中国则走在了世界的前列，中国率先建立了多个城际量子干线网，并发射全球第一颗量子科学试验卫星“墨子号”，首次实现卫星和地面间量子通信。

3.1  无条件安全的密钥

信息论创始人克劳德·艾尔伍德·香农，在上世纪50年代对无条件安全做出过开创性的研究。他总结出了“一次一密”的无条件安全的条件。

一次一密，即密码真随机（非计算机的伪随机）并且只使用一次，但是目前常规的办法生成的是伪随机数，而且密钥的更新和分配上还是存在漏洞容易被窃取。因此，在密钥分配问题没有解决之前，一次一密基本上没有商业应用

3.2  BB84协议——量子密钥分配协议

1984年，IBM公司的Bennett和加拿大的Brassard提出了量子密钥分配的新概念和对应的量子密钥分配协议——BB84协议。

量子比特概念

在量子通信概念中，量子指代的即是光子，最小的光能量携带单位。光子具有波粒二象性，是粒子的同时也是一种电磁波。光子在垂直传播方向的平面上振动，振动方向可以有360度，而任意方向的振动都可以分解在一个互相垂直的坐标系上。

例如，如下图：

码元0对应光子偏振方向为水平或斜向下45度

码元1对应光子偏振方向为垂直或斜向上45度

那么，如下图，编码为“ 10 ”的量子比特经过测量基 1 之后收到的还是“ 10 ”信号；而经过测量基 2 之后收到的信号具有不确定性，有“ 00 ”、“ 01 ”、“ 10 ”、“ 11 ”共 4 种可能性，每种可能性都一样，即各为 25% 。

简单点，对于单独一个量子比特，经过一个正确的测量基后测量正确，而经过一个错误的测量基后测量正确率为 50% ，错误率也是 50% ； 而如果随机选择测量基，那么选对的测量基的概率为 50% ，错的概率也是 50% 。那么对于随机测量一个量子比特的正确率为 50% （选对测量基） +50%*50% （因为结果非 0 即 1 ，所以错误测量基有一半概率蒙对） =75% ，错误率为 50% （选错测量基） *50% （因为结果非 0 即 1 ，所以错误测量基有一半概率蒙错） =25% 。

那么如果发出一长串的量子比特序列，因为数目巨大，从概率学上讲，整体的错误率将在25%左右。