量子密码学 经典密码学基础与挑战 在深入量子密码学之前，需理解其解决的经典问题。经典密码学中，通信双方（通常称为Alice和Bob）希望安全地交换信息，而防止窃听者（Eve）获取。核心任务之一是“密钥分发”：生成一串只有Alice和Bob知道的随机比特序列（密钥），用于后续的加密（如一次性便签本）或认证。经典方案（如RSA）的安全性通常基于特定数学问题（如大数分解）的计算复杂性，但能被强大的算法（如Shor算法）和未来量子计算机破解。此外，Eve的窃听行为在理论上可以完全不留下痕迹。量子密码学，特别是量子密钥分发，从根本上改变了这一范式。 量子密钥分发的核心原理：海森堡测不准原理与量子不可克隆定理 量子密码学的安全性基石是物理学原理，而非计算假设。其依赖两个关键量子特性： 海森堡测不准原理 （对一对共轭可观测量，如光子的偏振方向，精确测量其中一个会干扰另一个）和 量子不可克隆定理 （无法完美复制一个未知的量子态）。这意味着，如果Eve试图窃听传输中的量子态（如单光子），她必须进行测量，而测量行为会不可避免地扰动量子态，从而在Alice和Bob后续的比对中留下可检测的异常。这为“窃听必留痕”提供了物理保证。 核心协议示例：BB84协议 这是第一个也是最基本的量子密钥分发协议。具体步骤如下： 基与态 ：Alice使用两组非正交的基来编码量子比特。例如，使用“+”基（水平/垂直偏振，记为0和1）和“×”基（45°/135°偏振，也记为0和1）。 发送与测量 ：Alice随机选择一个基和一个比特值，将相应的单光子态发送给Bob。Bob也随机选择一个基进行测量。 基比对 ：通过公开（但不透露具体比特值）讨论，Alice和Bob公布每次传输所使用的基。只有当双方使用相同基时，Bob的测量结果才与Alice发送的比特一致。他们丢弃基不同的所有结果。保留的结果构成“原始密钥”。 窃听检测 ：Alice和Bob从原始密钥中随机抽取一部分比特，公开比对它们的值。如果比对误差率低于某个阈值（由信道噪声决定），则证明没有显著的窃听发生。因为Eve的测量会引入额外错误。 后处理 ：对剩余密钥进行纠错（协调双方密钥一致）和隐私放大（利用Eve可能掌握的部分信息量，通过哈希函数压缩密钥，将其对Eve的不确定性降至几乎为零），最终生成双方完全一致且Eve一无所知的“安全密钥”。 实际系统与信道 实际QKD系统通常不使用单光子，而使用弱相干光源（平均光子数远小于1），并需考虑信道损耗、探测器噪声和效率等问题。主要实现信道有两种： 光纤信道 （利用光子相位或偏振编码，适用于城域网络）和 自由空间信道 （主要用于卫星到地面的链接，构建全球量子通信网络的基础）。为对抗信道损耗和距离限制，需要用到 量子中继器 （基于量子纠缠交换和纯化）和可信中继站。 更广泛的量子密码学范畴 量子密码学不仅限于QKD。它还包括： 量子安全直接通信 ：无需事先建立密钥，直接在量子信道中安全传输秘密信息本身。 量子比特承诺 ：一种密码学原语，类似于数字世界的“密封信封”。 量子秘密共享 ：将一个秘密拆分给多个参与者，需要特定数量的参与者合作才能恢复。 后量子密码学 ：虽然属于经典计算范畴，但旨在设计能够抵抗量子计算机攻击的新型数学密码算法，常与基于物理的QKD并列讨论。 安全性证明与当前挑战 QKD的安全性拥有严格的数学证明（在设备符合理论模型的假设下），其安全性是“可证明的”和“无条件的”。当前挑战主要来自 实际设备与理论模型的偏差 ，可能导致侧信道攻击，如强光致盲攻击、时移攻击等。这催生了 设备无关量子密钥分发 和 测量设备无关量子密钥分发 等新型协议，通过降低对部分设备可信度的要求，提升实际系统的安全性。