随着信息时代的不断发展，互联网已经成为我们生活中最重要的信息传递渠道之一。 然而，在这个浩瀚的网络世界中，如何保护机密文件、加密数据、个人隐私等重要信息已成为人们非常关注的问题。 解决这一问题的关键在于保密通信的普及应用。
事实上，保密通信在某些特定领域已经不再是一门高精尖的技术，它已经渗透到我们生产生活的方方面面。 在银行系统中，如何安全地传输各种账户的财务信息？如何保护组织内的加密数据？这些是使用安全通信的示例，并展示了该技术的强大功能。
使用您的帐户和密码保护您的个人信息安全（**veer gallery）。
我们在上一篇文章中介绍了经典密码学构建密码的方式，我们将继续研究现代安全通信确保信息安全的方法。
在谈论“非对称加密”之前，我们先熟悉一下更简单的“对称加密”。
“对称加密”方法的示意图（**维基百科）。
假设小李想给小王发送加密信息，但又不想被不法分子窃听。 然后，小王和小李可以提前准备一个保险箱，各自留着两把钥匙打开保险箱。 这样一来，小李就可以每次都用钥匙把需要加密的信息放进保险箱里，而小王只需要用同样的钥匙打开保险箱，就可以完成两人之间的保密通信。
在这里，原本需要加密的信息称为“明文”，加密后的信息称为“密文”，用于加密的密钥称为“密钥”。 此时，小李和小王在加解密过程中使用了相同的密钥，即他们都使用了相同的密钥，因此这种加密方法也称为“对称加密”。
事实上，古希腊用来加密的圆木棍和上一篇文章中提到的用来调整字母顺序的凯撒密码都是对称加密方法。 虽然加密和解密过程确实使用相同的密钥，使用起来非常方便，但也存在很大的泄漏风险。 这是因为犯罪分子一旦知道了加密密钥，就可以悄悄窃听小王和小李之间的加密信息。
为了弥补上述加密漏洞，人们发明了一种“非对称加密”方法，即小李用来锁保险箱的钥匙和小王用来开保险箱的钥匙不再是同一把钥匙。
“非对称加密”方法示意图（**作者自画）。
例如，如果小李想给小王发送加密消息，那么小王会准备两个不同的密钥，即锁钥匙和解锁钥匙。 在这种情况下，小王会先把锁钥匙和保险柜发给小李，然后小李会用锁钥匙将信息存放在保险柜中，最后小王会用自己留下的开锁钥匙打开保险柜。
在这个过程中，只有小王拥有开锁钥匙，所以即使犯罪分子拿到了保险箱和锁钥匙，也无法读取加密信息。 在这种保密通信过程中，用于锁定的密钥也称为“公钥”，用于解锁的密钥称为“私钥”，这种非对称加密方法也是当今主流的保密通信手段之一。
可以说，上述“非对称加密”方法设计得非常巧妙，双方都可以自信大胆地向公众披露密文和公钥，而不必担心犯罪分子破译加密信息。
基于公钥加密的概念图（**veer gallery）。
小王准备的两把钥匙，分别是公钥和私钥总是由复杂的计算规则生成。小王和小李会一直定期更新这种算术规则，以确保犯罪分子无法在有限的时间内计算出公钥和私钥的内在关系。 因此，小王和小李有信心保证，即使犯罪分子掌握了公钥，他们也无奈地对彼此之间的保密通信做任何事情。
但是，这种加密并非无法破译。
如果窃听者拥有超强的算力，就有可能在很短的时间内计算出公钥和私钥的内部关系，从而彻底颠覆了小王和小李之间的主流加密通信方式。
量子计算机的出现有望为犯罪分子提供这种超级计算能力，从而打破保护我们信息的“加密盾牌”。 量子计算机之所以具有潜在的超强计算能力，根本原因在于它们基于量子力学的基本原理，这与传统经典计算机使用的计算方法有着根本的不同。
量子计算的概念图（**veer gallery）。
经典计算机使用经典位，它们就像硬币的两面，要么是 0，要么是 1。 另一方面，量子计算机使用量子比特，量子比特不仅可以是 0 态，还可以是 1 态，并且可以神奇地同时是 0 和 1 的叠加态这就像一枚硬币的正面和反面。 此功能允许量子计算机在某些情况下以惊人的速度并行处理多种可能性，无需将它们一一排队，从而大大加快了计算过程。
因此，随着未来实用量子计算机的出现，犯罪分子小王将使小王和小李无法保证上述“非对称加密”方法的绝对安全性。 因此，为了抵御“量子矛”算力攻击，我们必须开始转变思路，开始寻找更有效的加密方法来保证通信安全。
事实上，无论加密方法多么复杂多变，总有两个漏洞需要填补，以确保其绝对安全。
网络安全防火墙（**veer gallery）。
首先，一旦窃听者拥有了超强的计算能力，他们就可以在很短的时间内破译通信双方的密钥其次，小王和小李都不知道窃听者是否窃取了加密信息。 相比之下，上述第二个缺陷往往更致命，因为窃听者会假装他们没有破译加密消息，并长时间窃取两者之间的通信。
幸运的是，量子力学并不是偏向于破译密钥的“量子矛”，科学家们还基于量子力学的基本原理设计了更强大的“量子盾牌”，以保护加密信息的绝对安全。
第一个漏洞相对容易修复，如果小王和小李每次通信都会随机更换密钥，那么就算窃听者拥有超强的算力，也只能破译一条机密信息。 这种双方每次发送消息时都需要更改加密密钥的方法称为“一次一个密钥”。
为了弥补第二个漏洞，有必要利用量子力学中的一个特殊性质，即量子纠缠态。
为了更生动地理解量子纠缠态，我们可以举一个有趣的例子。
比方说，一对双胞胎姐妹在北京和上海读书，北京的一个同学问其中一个双胞胎：“你是姐姐还是姐姐？然后这位同学可以根据她的回答，瞬间推断出上海另一对双胞胎的情况。 这是因为在这对双胞胎的姐妹情情被质疑之前，在外界的眼中，她们总是处于“姐姐或姐姐”的“纠缠状态”，各自的状态会在回答的那一刻确定。
同样，如果我们能制造一对相同的量子比特，它们在被测量之前将处于 0 和 1 的纠缠状态。 无论它们相距多远，如果其中一个量子比特的状态发生变化，另一个相关的量子比特也会瞬间发生变化，这种现象被称为“量子纠缠”。
因此，小王和小李可以发送和接收一系列量子比特作为密钥来加密信息，从而完成彼此之间的保密通信。 此外，如果窃听者开始窃取密钥，小王和小李之间的量子纠缠态会因为干扰而发生变化。
量子密钥分配方案示意图（**作者自绘）。
也就是说，如果小王和小李发现他们的量子纠缠态没有扰，他们就可以确定通信没有被窃取，也就是说，它是安全的。 因此，Xiao Wang 和 Xiao Li 可以利用这些量子纠缠态来生成一个共享的加密密钥，该密钥可用于加密和解密他们的通信。
这种利用量子力学基本原理进行保密通信的方式也被称为量子密钥分发方案（quantum key distribution, qkd）。
可以说，量子密钥分发方案不仅具有“一次一个秘密”的特点，而且充分利用了“量子纠缠态”的奇妙特性，对机密通信是否被窃听进行监控。
2024年，量子密钥分发方案被提出，引起了科学家的广泛关注。 量子密钥分发方案提供了一种保证通信安全的新方式，可以作为“量子盾牌”来保护我们通信的绝对安全。
量子密钥概念图（**veer Gallery）。
经过近40年的发展，量子保密通信技术也在日趋成熟，正在一步步进入我们的现实生活。 我想你在这里吃不够，对吧？那么接下来，就来给大家讲讲量子保密通信中“上天”和“入地”的精彩故事吧！
参考文献： 1] Haitjema， M .a survey of the prominent quantum key distribution protocols. cse.wustl.edu.
2]buttler w t, hughes r j, kwiat p g, et al. free-space quantum-key distribution[j]. physical review a, 1998, 57(4): 2379.
出品方：科普中国。
作者：栾春阳（清华大学物理系）
出品方：中国科博会。