随着信息期间的不绝发展，互联网已经成为我们生存中最为紧张的信息转达渠道之一。然而，怎样在这个广阔的网络天下中，掩护秘密文件、加密数据以及个人隐私等紧张信息，成为了备受关注的标题。而办理这一标题标关键，就在于保密通讯的遍及和应用。

着实，保密通讯早已不是某些特定范畴的高深技能，它已经渗出到我们生产和生存的各个方面。在银行体系中，各个账户的金融信息怎样得以安全转达？企业内部怎样掩护加密资料？这些都是保密通讯的应用实例，表现出了该技能的巨大作用。

我们在上一篇文章中先容了古典暗码学创建暗码的方式，我们将在这篇文章中继承先容当代保密通讯是通过哪些方法保障我们的信息安全的。

非对称加密——我摊牌了，就不信你能窃听

在谈“非对称加密”之前，我们先来熟悉一下更加简朴的“对称加密”。

假设小李同砚想给小王同砚发送一条加密信息，而不想被非法分子窃听。那么，小王同砚和小李同砚就可以提前准备一个保险箱子，而且各自保管好开启保险箱的两把钥匙。如许的话，小李同砚每次就可以使用钥匙将须要加密的信息放在保险箱中，而小王同砚也只须要使用类似的钥匙来打开保险箱，就可以完成他们两人之间的保密通讯。

在这里，原来须要加密的信息称为“明文”，加密后的信息称为“密文”，而用来加密的钥匙则被称为“密钥”。此时，小李同砚和小王同砚在加密息争密的过程中用的是同一把钥匙，也就是说，都采取类似的密钥，因此这种加密方式也叫作“对称加密”。

着实，我们在上一篇提及的古希腊用以加密的圆木棍，以及调解字母次序的凯撒暗码等，它们都是属于对称加密方式。诚然，这种加密息争密过程均采取类似的密钥，用起来非常便捷，却也存在极大的泄密风险。这是由于，一旦非法分子知晓了加密的密钥，就可以悄无声气地窃听小王同砚和小李同砚之间的加密信息。

为了补充上述的这种加密弊端，人们发明出一种“非对称加密”方式，也就是说，小李同砚用来给保险箱上锁的钥匙，和小王同砚用来给保险箱解锁的钥匙，不再是类似的钥匙了。

打个比方，如果还是小李同砚想要给小王同砚发送一条加密信息，这时间小王同砚会制备出两种差别的钥匙，分别是上锁钥匙息争锁钥匙。如许的话，小王同砚会将上锁钥匙和保险箱先发送给小李同砚，然后小李同砚再使用上锁钥匙将信息存放在保险箱中，末了小王同砚再使用本身留下的解锁钥匙打开保险箱即可。

在这个过程中，只有小王同砚本身拥有解锁钥匙，因此纵然非法分子拿到了保险箱和上锁钥匙，也无法读取加密的信息。在这个保密通讯过程中，用来上锁的钥匙也被称为“公钥”，解锁的钥匙则被称为“私钥”，这种非对称的加密方式也是当今主流的保密通讯本领之一。

“量子之矛”——量子盘算机的“颠覆式”破译

可以说，上述的这种“非对称加密”方式计划得非常精良，通讯双方可以放心大胆地将密文和公钥公之于众，而不消担心非法分子来破译加密信息。

小王同砚制备出的两把钥匙，即公钥和私钥，总是由复杂的数学运算规则产生的。小王同砚和小李同砚总是会定期地更新这种数学运算规则，从而包管非法分子无法在有限的时间内，盘算出公钥和私钥的内涵关系。因此，小王同砚和小李同砚才有信心包管，纵然非法分子把握公钥也对他们间的保密通讯无可怎样。

然而，这种加密方式并非不可被破译。

如果窃听者把握了超强的运算本领，就有大概在极短的时间内盘算出公钥和私钥的内涵关系，从而彻底颠覆小王同砚和小李同砚之间的这种主流的加密通讯方式。

量子盘算机的出现，有望赋予非法分子这种超强的运算本领，从而冲破保卫我们信息的“加密之盾”。量子盘算机之以是具有潜伏的超强算力，根本缘故原由是它基于量子力学的根本原理举行运算，这与传统经典盘算机采取的运算方式存在根本差别。

经典盘算机使用的是经典比特（bit），它就像是硬币的两面，要么是0态，要么是1态。而量子盘算机采取的是量子比特（qubit），这些量子比特不但可以是0态，也可以是1态，还可以神奇地同时是0和1的叠加态，这就好像是同时拥有了硬币的正反面。这个特性让量子盘算机在某些环境下，可以大概以惊人的速率并行处置惩罚多种大概性，不再须要一个一个地列队处置惩罚，因此可以极大地加速运算过程。

因此将来实用量子盘算机的出现，非法分子小王同砚将会让小王同砚和小李同砚无法再包管上述的“非对称加密”方式的绝对安全。因此，为了抵抗“量子之矛”的算力攻击，我们就不得不开始厘革思绪，开始探求更加有用的加密方式来包管通讯安全。

“量子之盾”：我就不信，你还能窃听！

着实，无论加密方式怎样复杂多变，它总是存在两个弊端须要补充，才可以包管自身的绝对安全。

其一，一旦窃听者把握超强的算力，就可以在极短的时间内破译出通讯双方的密钥；其二，无论是小王同砚还是小李同砚，他们都无法知晓窃听者是否已经盗取了加密信息。相对而言，上述的第二个缺陷通常更加致命，由于窃听者会假冒本身未破译加密信息，而对两者的通讯悄无声气地举行长时间盗取。

荣幸的是，量子力学并非偏爱于破译密钥的“量子之矛”，科学家们也同样依据量子力学的根本原理，计划出更增强大的“量子之盾”来保卫加密信息的绝对安全。

第一个弊端比力轻易补充，如果小王同砚和小李同砚在每次通讯时都会随机地更换密钥，那么纵然窃听者拥有超强算力，他也只能破译单次的保密信息。这种通讯双方每发送一次信息，都须要更改加密的密钥的方式，就被称为“一次一密”。

而要补充第二个弊端，则须要使用量子力学中的一种特别性子，即量子胶葛态。

为了更加形象地明确量子胶葛态，我们可以举一个风趣的例子。

如果，一对双胞胎姐妹分别在北京和上海修业，北京的一个同砚扣问此中的一位双胞胎，“你是姐姐还是妹妹？”那么这个同砚就可以根据她的回复刹时推断出，身处上海的另一位双胞胎的环境。这是由于，这两位双胞胎的姐妹身份在未被扣问之前，在外界看来，她们总是处于一种“姐姐大概妹妹”的“胶葛状态”，而在回复的刹时就会确定各自的状态。

同理，如果我们可以大概制备出一对类似的量子比特，那么在未被丈量之前它们就会处于0和1的胶葛态。无论它们之间相距多远，只要此中一个量子比特的状态发生改变，那么另一个相干的量子比特也会刹时发生相应的厘革，这一征象就是所谓的“量子胶葛”。

因此，小王同砚和小李同砚就可以通过发送和吸收一系列的量子比特，来作为加密信息的密钥，从而完成相互之间的保密通讯。除此之外，如果窃听者一旦开始盗取密钥，小王同砚和小李同砚之间的量子胶葛态就会由于受到干扰而发生改变。

也就是说，如果小王同砚和小李同砚发现他们的量子胶葛态没有受到干扰，他们就可以确定通讯是未被盗取的，也就是安全的。因此，小王同砚和小李同砚就可以使用这些量子胶葛态天生一个共享的加密密钥，用于加密息争密他们的通讯内容。

而这种使用量子力学的根本原理举行保密通讯的方式，也被称为量子密钥分发方案（Quantum key distribution, QKD）。

结语

可以说，量子密钥分发方案不但具有“一次一密”的特性，还充实使用了“量子胶葛态”的奥妙性子，来监测保密通讯是否被窃听。

在1984年，量子密钥分发方案一经提出，就受到了科学家们的广泛关注。量子密钥分发方案提供了一种包管通讯安全的全新方式，可以作为“量子之盾”来保卫我们通讯的绝对安全。

颠末近40年的发展，量子保密通讯技能也在不绝成熟，而且正在一步步地走进我们的实际生存中。想必到这里，你肯定看得意犹未尽吧？那么接下来，就让我们再为各人报告量子保密通讯中“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：科普中国

作者：栾春阳（清华大学物理系）

监制：中国科普博览