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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Zui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Zui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Zui终的密钥，如下图所示。