1. 引言
量子密码学是一种利用量子力学的天然特性来实现加密的方法，使数据能够以无法被破解的方式进行安全传输。
密码学是对数据进行加密和保护的过程，只有掌握正确密钥的人才能解密数据。量子密码学与传统密码系统的不同之处在于，它的安全性依赖于物理学原理，而不是数学算法。
量子密码学是一种在不被通信双方察觉的情况下无法被攻破的系统。也就是说，在量子态中进行编码的数据，不可能在不被发送方或接收方发现的情况下被复制或读取。即使面对使用量子计算的攻击者，量子密码学理论上仍然是安全的。
量子密码学使用单个光子（光的粒子）通过光纤来传输数据，这些光子代表二进制比特。系统的安全性依赖于量子力学，其关键安全特性包括：
- 粒子可以同时存在于多个位置或状态（叠加态）。
- 对量子属性的观测会改变或扰动该属性。
- 量子态无法被复制（不可克隆性）。
这些特性意味着：在不干扰系统的情况下，不可能测量任何量子系统的状态。
之所以使用光子进行量子密码学，是因为它们具备所有必要特性：其行为已被充分理解，同时也是光纤通信中的信息载体。目前最著名的量子密码学应用之一是量子密钥分发（QKD，quantum key distribution），它提供了一种安全的密钥交换方法。
2. 量子密码学工作原理
从理论上讲，量子密码学遵循一种在 1984 年提出的模型。
该模型假设有两个人------Alice 和 Bob------希望安全地交换信息。Alice 发起通信，通过向 Bob 发送一个"密钥"来开始。这个密钥是一串沿单一方向传播的光子流。每个光子代表一个数据比特（0 或 1）。但除了线性传播外，这些光子还具有特定的振荡（或振动）状态。
因此，在 Alice（发送方）发送信息之前，这些光子会先通过一个偏振器（polarizer）。偏振器是一种滤波器，它允许部分光子以相同的振动状态通过，同时也会改变其他光子的振动状态。偏振状态可以是：垂直（表示 1）、水平（表示 0）、向右 45°（表示 1）或向左 45°（表示 0）。无论采用哪种编码方式，每次传输的偏振态都对应一个比特（0 或 1）。
随后，这些光子通过光纤从偏振器传输到接收方 Bob。接收过程使用分束器（beam splitter）来测量每个光子的偏振状态。由于 Bob 并不知道每个光子的正确偏振方向，他需要随机选择一种偏振方式进行测量。
在 Bob 接收完密钥后，Alice 会与他对比所使用的偏振方式，并告知每个光子发送时使用的偏振器类型。随后，Bob 确认自己哪些测量是正确的。那些使用"错误偏振方式"测得的光子会被丢弃，剩下的序列即作为最终密钥。
现在假设存在一个窃听者（eavesdropper），名叫 Eve。Eve 试图监听通信，并且拥有与 Bob 相同的设备。但 Bob 的优势在于，他可以与 Alice 通信来确认每个光子使用的偏振方式，而 Eve 无法做到这一点。因此，Eve 得到的密钥将是错误的。
此外，Alice 和 Bob 也能够检测到 Eve 是否在窃听。因为 Eve 对光子进行观测会改变其量子状态，从而扰动原本的传输结果。一旦观测到异常，双方就能意识到通信已被监听。
3. 量子密码学的应用及示例
与传统密码学相比，量子密码学能够提供更高安全性的通信方式。在通信双方完成密钥交换之后，恶意攻击者在没有密钥的情况下几乎无法解密数据。如果密钥在生成过程中被观测，其结果会发生变化，从而同时提醒发送方和接收方。
尽管该技术尚未完全成熟，但已经有一些成功的实践案例：
- 剑桥大学与东芝公司（Toshiba Corporation）基于 BB84 量子密码协议，开发了高比特率的量子密钥分发（QKD）系统。
- Defense Advanced Research Projects Agency 量子网络（2002--2007）是一个包含 10 个节点的 QKD 网络，由波士顿大学、哈佛大学和 IBM 研究院共同开发。
- Quantum Xchange 在美国推出了首个量子网络，覆盖约 1000 公里的光纤。
- 商业公司如 ID Quantique、Toshiba Corporation、QuintessenceLabs 和 MagiQ Technologies 也开发了商用 QKD 系统。
除了 QKD 之外，量子密码学中一些较为重要的协议和量子算法还包括：
- 量子抛硬币（Quantum coin flipping）
- 基于位置的量子密码学（Position-based quantum cryptography）
- 与设备无关的量子密码学（Device-independent quantum cryptography）
4. 量子密码学的优势
量子密码学具有以下优势：
- 提供安全通信。 不同于依赖难以破解的数学问题，量子密码学基于物理定律，因此是一种更高级、更安全的加密方式。
- 可检测窃听行为。 如果第三方尝试读取编码数据，量子态会发生变化，从而改变通信结果，使通信双方察觉异常。
- 提供多种安全机制。 量子密码学包含多种协议。如 QKD 可以与传统加密方法结合，从而进一步提升整体安全性。
5. 量子密码学的局限性
量子密码学也存在一些潜在的缺点和限制：
- 偏振变化与误码率问题。 光子在传输过程中可能发生偏振变化，从而导致误码率上升。
- 传输距离限制。 量子密码学的最大传输距离通常在 400 到 500 公里之间（下文提到的 Terra Quantum 属于例外）。
- 成本较高。 量子密码学通常需要专用基础设施，如光纤线路和repeaters（中继器）。
- 目的地数量限制。 在量子信道中，无法同时将密钥发送到两个或多个接收方。
6. 传统密码学与量子密码学的区别
传统密码学的核心是通过数学方法对数据进行"扰乱"，只有拥有正确密钥的人才能读取。传统密码学主要有两种密钥分发方式：对称密钥和非对称密钥。
对称密钥算法使用同一个密钥进行加密和解密；而非对称密码学使用两个密钥------公钥 用于加密，私钥用于解密。传统密码学长期以来被认为是安全的，因为经典计算机在可接受时间内难以完成用于破解公钥/私钥的大整数分解计算。
与之不同：
- 传统密码学基于数学问题
- 量子密码学基于量子力学定律
此外，量子密码学相比传统方法更难被破解，因为对光子的观测行为本身会改变系统状态，从而使通信双方能够察觉窃听行为。与此同时，量子密码学通常受限于传输距离，因为它依赖光纤和分布式中继器来维持信号强度。
量子密码学实现的未来
量子计算目前仍处于早期发展阶段，在广泛应用于量子通信之前仍需进一步完善。尽管量子密码学存在一些限制（如无法同时向多个节点发送密钥），但该领域仍在稳步发展。
如，近年来在传输距离方面取得了进展。瑞士量子技术公司 Terra Quantum 宣布在量子密码学传输距离方面取得突破。此前，量子密码通信的最大距离约为 400--500 公里，而该公司的新技术可以将量子密钥传输距离扩展到超过 40,000 公里。
该方案无需铺设全新的光纤网络或大量中继器，而是可以直接在现有的telecom（电信）光纤网络中分发量子密钥。
参考资料
1\] Alexander S. Gillis,2022年1月28日博客 [What is quantum cryptography?](https://www.techtarget.com/searchsecurity/definition/quantum-cryptography)