神奇的量子加密技术

锲子
目前为止，人类的历史上发生了三次工业革命。第一次科技革命逐渐于蒸汽机的发明。其关键是将机械能（煤碳）转换为机械动能（蒸汽发动机），大家不会再只是依靠畜力、水力发电和风速。

蒸汽机车是蒸汽车的增强版
第二次科技革命则始于于大家针对电力工程的深层运用。大家创造发明发电机组，电缆线和电文，这一切都让动能和信息的传播显得更为方便快捷。此外，更为高效率的燃气轮机也逐渐取代第一次科技革命中的蒸汽发动机。

第三次工业生产意味着数字化时代的打开，人们基本摆脱实际的物理学媒体的拘束。此刻，相片变为一堆可以传输的数据，而已不是一张张实际的胶片。

不难看出，每一次科技革命都是会对我们的日常生活方法都是会造成固步自封的危害。大家当然会问，下一次科技革命会是在哪儿打开呢？这一点难以意料。或许是人工智能技术，或许是量子科技技术，或许是生物科学，又可能在几十年之后的大家来看，大家如今正处在第四次科技革命的舆论旋涡。不管怎样，在以前的三次工业革命之中，人们对世间的操纵越来越愈来愈细致 —— 从一颗小螺丝钉到处理芯片上纳米技术限度的圆晶颗粒物，高新科技从宏观经济迈进外部经济的脚步让人赞叹不已。假如我们对世间的操纵提升纳米技术的限定进到更为细微的限度，那时，大家面临的又将是一个全新升级的全球，而那一个全世界的法规是物理学（quantum mechanics）。量子科技技术恰好是构想在物理学上的全新升级技术。也因而，量子科技技术极有可能开启下一次科技革命大门口的锁匙。什么叫量子比特？量子世界和宏观世界拥有许多的不一样，在其中一个就是，量子科技是可以累加的。是什么意思呢？在经典全球里，一个人只有在办公室里工作，或是在家里歇息。而在量子世界里，大家可以处在公司办公室工作和家中歇息的累加情况。自己当老板通电话了解你是不是在工作时，你告知以一定几率对他说是或是并不是。

薛定谔的猫：在量子世界里，猫可以与此同时处在身亡和好好活着二种情况！照片来源于互联网

此刻你也许感觉量子世界和经典全球并没什么差别，老总一直任意地获得2个不一样的回答。这时大家让老总换一个问题，使他了解你是不是处在工作中和歇息的叠加态A上。在经典全球里，除非是您有精神分裂，不然无法问出这个问题。而在量子世界里，这却变成一种很有可能。你能回应他是或是并不是。如今大家用更准确的数学语言来阐述。大家用 0 表明工作中，1 表明歇息。有信息学基本的读者们都了解，经典的信息内容情况（比特犬，bit）只有是 0 或是 1，因此大家可以随便地测量经典比特犬的选值。而量子比特（qubit，为了更好地显眼，下面都用 qubit） [1] 可以是处于 0 和 1 中间的各种挑选，qubit 的每一个情况都能够表述成一个单位向量：

在量子世界中，老总的了解则代表对经典（或量子科技）比特犬开展查验（或测量），通常根据 “” 功效在 “” 上表明测量的全过程。在量子世界中，老总可以选用差异的问题提出问题（例如“你是不是80%几率在歇息20%几率在工作中”或“你是不是99%几率在歇息”这类在经典全球来看很奇葩的问题），这代表着他可以选用差异的基矢开展测量，这在数学课上通常用一组正交基表明。是不是工作相匹配一组基矢，是不是在叠加态 A 又是此外一组基矢，。

经典比特犬仅有2个选值，量子比特则可以在全部三维曲面上选值——我注

在我们挑选 基矢开展测量时，大家获得 0 的几率是 ，而获得1的可能性则是 （测算全过程实质上便是测算向量内积）。而在我们挑选 做为基矢的情况下，大家获得的回答一直毫无疑问的，由于 。

讲到这儿，大家依然忽视了一件十分关键的事儿——测量会对 qubit 的情况导致危害，这一环节被称作塌缩（Collapse）。例如，大家挑选基矢 对 qubit 开展测量，假如测量結果是 0，那麼这一 qubit 就变为 。相近的，如果我们挑选基矢 开展测量，测量結果为 A 寓意者这一 qubit 塌缩到 , 而結果 B 则寓意者 qubit 塌缩到 上。

如今使我们运用量子科技塌缩来做一个侦测器。假定我们要外出旅游，因此在卧室里放了一个qubit 。如果有窃贼进到这一屋子，这一 qubit 便会在 基矢上开展测量。那麼这一 qubit 便会变为 或是 。无论测量結果是 或是 , 此刻大家再度对 qubit 在老底材 上开展测量，它都会有一定几率輸出1。因此等大家回家之后，我们就对 qubit 在老底材 上开展精确测量，假如精确测量效果是 0，那麼大家觉得沒有窃贼；假如精确测量效果是 1，那麼大家觉得有家中被窃贼光临过去了。有的阅读者很有可能会担心这些计划方案的可行性分析，由于无论是否有窃贼光临，都是有一定几率輸出 0，因此大家也是有一定几率误以为窃贼沒有来过。这个时候大家把设备改善一下 —— 大家放许多个 qubit，在度假旅游回归以后，对全部 qubit 都开展以上精确测量。假如有一个qubit輸出1，那麼咱们就觉得窃贼来过去了。由于大家有很多个 qubit，因此误以为窃贼沒有来过的几率低到可以忽视。这一量子科技探测仪乍看上去好像有一些可有可无，由于人们必须付出许多 qubit。但是实际上整个过程却暗含着量子科技密钥分发计划方案 BB84 的关键。奇妙的量子加密技术如今阅读者们早已对是 qubit 拥有一个初始的印象，下面大家详细介绍量子加密技术。在彼此通讯的历程中，总在所难免有第三方想要去盗取通讯流程中的信息，而数据加密技术的发生便是为了避免信息被盗取。数据加密（encryption）的含意是把大家期待传输的信息，称之为密文，根据某类优化算法（称之为加密技术）把密文变为一串仅有接受方才能了解的信息，这一信息称之为保密。

数据加密全过程
这一全世界的加密算法有很多，她们的安全级别也不一样。许多登陆密码全是有标准安全性的，例如假定第三方只有着不足的计算水平。我们知道的规模性商业的 RSA 密码是那样的一种安全等级。这类加密技术的安全防护关键取决于，根据大素数溶解的数学题目是艰难的，现阶段沒有立竿见影的优化算法（更专业地讲，全部优化算法全是指数值時间的——我注）。要想攻克这一登陆密码，就务必攻破这一一直以来困惑一位数学家的素数溶解问题。殊不知缺憾（针对不法分子来讲，好运）的是，量子计算机可以合理地处理素数溶解问题，这也代表着 RSA 登陆密码管理体系在量子计算机眼前并不安全。更高一些一个档次的安全系数是没有理由安全性，换句话说，即使有着无限的计算水平也没法攻克这一登陆密码管理体系。阅读者们很有可能猜疑如此唯美的数据加密管理体系或许真像黄粱一梦，压根不会有。实际上早在20世纪初，大家就指出了一次一密优化算法（One-time pad），而且证实了他是没有理由安全性的。但是看起来如此唯美的优化算法却没被普及化起来，因为它有一个明显的缺点。经典的加密算法规定通讯彼此在通讯以前共享资源一串和密文是等长的比特犬串，通常被称作密钥。密钥就像一把钥匙，在数据加密的历程中，大家就如同把密文塞入了一个保险丝盒，随后用密钥把它锁住。下面让我们把小盒子送至接受方手上（可以昂首挺胸地送以往），并且用自身手中的密钥打开盒子，取下要想的信息。一次一密优化算法规定密钥和密文的长短同样，这就要这一数据加密全过程越来越非常价格昂贵，无法被商业化的。

一次一密优化算法规定保密和密文长短同样
量子加密技术的创新点取决于密钥分发技术（ Key distribution），它很好地解决了一次一密优化算法中密钥转化成的难点。除此之外，科学家和一位数学家证实这一分发密钥的环节在理论上是没有理由安全性的（据小编孰知，这应该是唯一一个在理论上被证实没有理由安全性的密钥分发计划方案。）。为了更好地让大家能够更好地了解量子加密技术，大家详细介绍 BB84 计划方案 [2]，它是由 Bennet 和 Brassard 等人们在1984年明确提出的。BB84 计划方案的一大特点是它不用量子纠缠，由于量子纠缠是一种非常贵重的資源。潘建伟工程院院士在 2017 年用墨子号通讯卫星推行喜来登间的量子科技密钥分发计划方案也恰好是 BB84 计划方案 [3]。 BB84 方案的具体化的历程可以从下边这一幅图里见到：

就如同光的偏振一样，量子科技密钥照片来源于wiki百科
上边的箭头符号仅仅用于对比光的偏振方位，并沒有严谨的界定。针对这一幅图的表述如下所示（Alice 和 Bob 是信息学行业的普遍编造角色）：

优化算法—— BB84 量子加密计划方案

1. ，

   

   

2. 获得精确测量結果 →， 这就意味着经典的比特犬 1。

专家仍在全面提高密钥分发的速率与此同时期待减少分发全过程的成本费。现阶段而言，量子科技密钥是少有的好多个的逐渐商业化的的量子科技技术之一。对量子技术的思索大家会对量子科技技术有多种多样的指责。在其中一些人为因素量子科技密钥分发是多余的，由于量子计算机都还没被造出。退一步说，即使拥有量子计算机，大家依然可以采用相对性应的经典登陆密码去抵抗量子计算机。小编自己不太赞成这种见解。最先，大家不太可能直到量子计算机造出后才逐渐科学研究量子密码；即使我们可以应用更为高档的经典登陆密码去抵抗量子计算机，量子科技密钥也不一定沒有优点，终究用高級的经典登陆密码会耗费大量存储资源也会上升数据加密的成本费。假如量子科技密钥的费用比高級经典登陆密码低，那麼量子科技密钥将出现较大的商业服务市场前景。不管怎样，量子科技技术的进步可以看作是大家期待了解和操纵神秘的宇宙的一种试着。而量子科技密钥分发是大家目前能想起的一个运用计划方案。无论量子科技密钥分发最终能不能产生较大的经济收益，它一直大家迈出运用量子科技技术的关键一步。论文参考文献
[1] M. A. Nielsen and I. L. Chuang,(2007).[2] C. H. Bennett and G. Brassard, Proc.1984 IEEE Int. Conf. Comput. Syst. Signal Process. 175 (1984).[3] S. K. Liao, W. Q. Cai, J. Handsteiner,B. Liu, J. Yin, L. Zhang, D. Rauch, M. Fink, J. G. Ren, W. Y. Liu, Y. Li, Q.Shen, Y. Cao, F. Z. Li, J. F. Wang, Y. M. Huang, L. Deng, T. Xi, L. Ma, T. Hu,L. Li, N. Le Liu, F. Koidl, P. Wang, Y. A. Chen, X. Bin Wang, M. Steindorfer,G. Kirchner, C. Y. Lu, R. Shu, R. Ursin, T. Scheidl, C. Z. Peng, J. Y. Wang, A.Zeilinger, and J. W. Pan, Phys. Rev. Lett. 120, 30501 (2018). 由来：科谱最前线编写：Paarthurnax