中国是量子密码应用的标杆——专访BB84协议提出者

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发布时间：2022-11-29

光子盒研究院出品

网站网址中的“https”是一种协议，可在用户和该网站之间提供加密连接，因此当用户在网上商店输入地址时，没有人可以看到。现在这种方式是安全的。

“但是任何使用https技术保护的信息都可以用量子计算机破解，”蒙特利尔大学的计算机科学家Gilles Brassard说。这种方式也适用于网上银行交易。

1984年，Brassard和IBM研究院的物理学家Charles Bennett开发了一种协议，通过量子力学实现更安全的通信。该协议称为BB84，由Bennett和Brassard名字的缩写以及提出年份组成，标志着量子密码的诞生。Bennett和Brassard将会于2023年因为BB84而获得基础物理学突破奖。目前他们正在荷兰。

物理学家Charles Bennett（1943年，纽约）和计算机科学家Gilles Brassard（1955年，蒙特利尔）之间的第一次会面是在波多黎各附近的海岛。Bennett认出了Brassard，想和他谈谈。“我正在安静地游泳，这时他突然走到我身边，开始谈论量子力学，”Brassard说，“我不知道他是谁。这是一次意想不到和令人惊讶的会面，产生的结果改变了生活。”

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光子不是用来存储的，它们是用来传播的。

”

——Gilles Brassard

从左至右：Brassard和Bennett

你是如何想到量子密码的想法？

CB：“它始于去年去世的物理学家Stephen Wiesner的一个想法。他发明了‘量子货币’，这是不可能伪造的，因为它由光子形式的量子信息组成。当您尝试读取量子信息时，它会发生变化。这就像梦中的信息——你不能把它展示给别人看，试图描述它会改变你对它的记忆。这使得不可能制造量子信息的完美副本。我对Wiesner的想法感到兴奋，并与Gilles分享，听取计算机科学家的观点。我们的合作就是这样开始的。

我们意识到，对于量子货币，你必须存储光子。这是非常困难的，光子不是用来存储的，它们是用来传播的。因此，将它们用于通信更有意义。因为我是一名密码学家，所以出现了用量子信息进行加密的想法。”

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如果两个人想要安全通信，他们可以通过密码学创建一个密钥。

”

——Charles Bennett

BB84如何工作的？

CB：“如果两个人，Alice和Bob想要安全地通信，他们可以通过密码学创建一个密钥。只有其他人才能破译和阅读信息。在BB84中，Alice和Bob利用光子的量子特性来创建这样一个密钥。他们使用光子的偏振，这与构成光波的‘电磁振动’有关。这些振动可以水平/垂直（0和90度）或对角线（45和135度）偏振。Alice向Bob发送一系列随机偏振光子，方向为四个方向之一（0、90、45、135度）。

Bob随机选择每个光子来测量水平/垂直或对角偏振。只有当他的读取方法与Alice用来发送光子的方法相匹配时，他们才能确保找到相同的结果。为了找出他们测量了哪些光子相同的信息，Bob公开展示了他对哪个量子使用了哪种测量方法。然后Alice会展示哪些测量值不匹配，因此可以删除。其余的应该是一样的除非信号在途中被打乱或有人窃听。窃听改变了光子的量子态，因此尽管方法匹配，Alice和Bob不再看到相同的信息。

为了验证这一点，他们比较了许多测量结果。如果有很多不同之处，便证明被窃听，然后便会重新连接通信。如果只有少数差异，则窃听者并不了解所有内容，可以通过智能协议纠正错误，然后从生成的部分密钥中生成较小的密钥，窃听者显然对此一无所知。他们可以使用该密钥进行安全通信。”

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在中国的上海和北京之间建立量子连接，被有效应用。

”

——Gilles Brassard

这种量子密码已经被应用了吗？

GB：“是的，尤其是在中国的上海和北京之间建立了量子连接，被有效应用。他们有一颗卫星，可以发送比光纤更远距离的量子信息。2017年，北京和维也纳之间进行了第一次使用量子密码保护的视频通话。在欧洲，量子通信基础设施的测试工作也在进行中。还有一些公司销售量子密码系统，这允许每个人相互交换量子密钥以发送量子安全信息。”

这已经有必要了吗？毕竟目前还没有大型量子计算机。

GB：“你怎么确定呢？有可能已经有人成功建造了一台量子计算机，只是没有公开而已。例如用来窃取银行账户。

但即使还没有量子计算机，现在也必须使用量子密码对必须长期保密的信息进行加密。现在有人可以存储发送的所有加密信息，只要量子计算机出现后，他们就可以破译和查看一切。例如，我们从https协议中知道量子计算机可以破译它。”

“

这是一个非常复杂和重要的领域。

”

——Charles Bennett

“有一些安全方法尚未被证明量子计算机可以破解加密信息，但没有证明不可能用量子计算机或经典计算机破解它们。”

“如果你想确保你的信息是安全的，你能做的最好的事就是量子密码。如果量子力学定律是正确的，那么它就是可以证明安全性的。如果所需的量子设备不完美，可能会出现漏洞。因此，在实践中，最好将普通密码和量子密码结合起来，以创建一个超级安全的密钥。”

你如何看待量子技术的发展？

CB：“我认为对量子硬件和软件进行了如此多的研究，这真是太棒了。这是一个极其复杂和重要的领域。量子密码只是可能的一小部分。

荷兰在量子软件方面（QuSoft）和量子硬件（QuTech）方面都处于领先地位。它很可能是第一个拥有国家量子互联网的国家。中国也在为此努力，但荷兰可能更早，因为它是一个面积小得多的国家。