1、量子密钥的产生与分发

如下图（a）所示为传统加密通信的步骤：先由发信者A写好明文，然后通过加密算法和密钥，对明文进行一定的数学运算后编制成密文，再由通信传输信道将密文传递给收信者B，B通过加密算法的逆运算和密钥，把密文翻译还原成明文。这种加密通信的关键要素是密钥。对于第三方来说，可以通过有线或无线电波截获密文。如下图（b）所示在从光纤截获数据时，可以通过弯曲光纤获取外泄部分光信号进行窃听。但如果没有密钥，窃听到的密文是难以理解的。用来加密信息的密钥最初是密码本，后来演进为密码机、RSA等加密算法。但随着超级计算机越来越强大的算力，破解算法的速度也越来越快。在这种情况下，没有任何密钥是juedui安全的。再复杂的算法，破解起来只是时间和资源的问题。

为了做到信息的真正的juedui安全传输，信息论创始人克劳德.香农经过严格的理论证明认为需要满足三个条件：其一是密钥是随机的；二是密钥只使用一次；三是密钥与明文等长且按位进行二进制异或操作。要做到这三点就需要大量的密钥，而密钥的更新和分配存在被窃听的可能性。所以，不解决密钥分发的问题，就不可能实现无条件安全。这也导致了在香农发布这一成果之后，根本没有人能够使用这种方式。而量子密钥分发，则可解决这个问题！

1984年，IBM公司的研究人员Bennett和蒙特利尔大学的学者Brassard在印度召开的一个国际学术会议上提交了一篇论文《量子密码学：公钥分发和拋币》，被称为BB84协议。该协议把密码以密钥的形式分配给信息的收发双方，因此也称作量子密钥分发。具体的方法如下：

（1）选取测量基和偏振光  利用光子有相互垂直两个偏振方向的特性，让单光子源每次生成的单个光子只有0°、90°、45°、135°四种可能的方向。然后简单选取水平或垂直或对角的测量方式对单光子进行测量，所采用的测量方式被称之为测量基，如图下图所示。

当测量基和光子偏振方向一致，就可以得到1或0的结果；当测量基和光子偏振方向偏45°，就有50%的概率得到1或0。如下图所示。

（2）生成一组二进制密钥  发送方首先随机生成一组二进制比特0、1码。例如：01100101。然后发送方对每个比特，随机选择测量基。例如下图(a)所示。所以，发送的偏振光子分别是下图（b）中虚框中所示的偏振方向。

(3)接收方选择测量基并对输入光进行测试  接收方收到这些光子之后，随机选择测量基进行测量，例如依次选择图(c)所示测量基，则对输入偏振光的测量结果为图(d)虚线框内所示。

(4)获取最终密钥  发收双方通过传统方式进行通信，对比双方的测量基，仅将测量基相同的数据保留，不同的抛弃。保留下来的数据1001就是最终的密钥，如下图所示。

2、量子密钥的安全性

如果存在一个窃取者只窃听到发方和收方对比测量基，那窃取者会得到这样的信息：不同|不同|相同|相同|不同|不同|相同|相同。这个对他来说，没有任何意义。

因为量子的不可克隆性，窃取者没有办法复制光子，因此只能抢在收方之前进行测量。测量时他也要随机选择自己的测量基，如果是测量刚才那一组光子，他有一半的概率和发方选择一样的测量基，这对光子偏振方向无影响，还有一半的概率，会导致光子改变45°偏振方向，而这改变的部分将影响接收方的测量准确率。在没有窃取者的情况下，发和收之间采用相同测量基的概率是50%。所以，发和收之间拿出一小部分测量结果出来对比，有50%相同。有窃取者的情况下，发和窃取者之间采用相同测量基的概率是50%。收和窃取者之间采用相同测量基的概率是50%。所以，发和收之间拿出一小部分测量结果出来对比，有25%相同。由此，可以判定一定有人在窃听。通信停止，当前信息作废。

对于单个比特来说，窃取者有25%的概率不被发现，但是现实情况juedui不止1个比特，而是N个数量级的比特，所以，窃取者不被发现的概率就是25%的N次方，也就是窃取者不被发展的概率极低。因此，量子密钥分发使通信双方可以生成一串juedui保密的量子密钥，用该密钥给任何二进制信息加密，都会使加密后的二进制信息无法被解密，这就从根本上保证了传输信息过程的安全性。

3、量子通信的应用

由于量子通信juedui安全的特性，量子通信在军事通信、政府保密通信、民用通信上都将带来颠覆性的变革，未来市场乐观。在国民经济领域，量子通信可用于金融机构的隐匿通信等工程以及对电网、煤气管网和自来水管网等重要基础设施的监视和通信保障。在国防和军事领域，量子通信能够应用于通信密钥生成与分发系统，向未来战场覆盖区域内任意两个用户分发量子密钥，构成作战区域内机动的安全军事通信网络；能够应用于信息对抗，改进军用光网信息传输保密性，提高信息保护和信息对抗能力；能够应用于深海安全通信，为远洋深海安全通信开辟了崭新途径；利用量子隐形传态以及量子通信juedui安全性、超大信道容量、超高通信速率、远距离传输和信息高效率等特点，建立满足军事特殊需求的军事信息网络。下图所示为已全线贯通，连接了包括北京、济南、合肥和上海等地城域网的量子通信“京沪干线”。