友情的产物——量子密码学

责任编辑:程琳琳 2021.12.30 16:59 来源:通信世界全媒体

在互联网时代,密码是保护信息的有效手段。但不管是多么复杂的密码,只要拥有一台足够强大的计算机,还是能够将其破解,盗取信息。

这时,号称“绝对安全”的量子密码脱颖而出。所谓量子密码,是指利用光子形成的量子态,传输一组任意长的随机密钥。由于量子具有“测不准原理”和“不可克隆定律”,保障了密钥的安全性,发送者和接收者可以放心地用它来加密或解密一段信息。

而说起量子密码学的问世,就不得不说到两段友情。

20世纪60年代,还是大学生的威斯纳,在学会量子物理学后,想到了一个能发财的点子!

原来,在量子物理学中有一个“量子不可克隆定理”。就是说,如果你制造了一个量子态X,并且对外界保密,那么任何人都无法克隆出一个一模一样的量子态。

而且已有的量子态并不能进行测量。因为在量子物理学中,还有一个“测不准原理”。也就是说,任何伪造者都不可能只测一次,就准确测出量子态的全部特征。

更加奇怪的是,只要对任何一个量子态做一次测量,那个量子态就会瞬间坍缩,彻底变成另外一个状态。所以,如果第一次没测准,那么永远也不会有第二次机会。

知道了这些原理后,威斯纳想,如果制造一种量子钞票,往每张钞票中放入不同的秘密的量子态,别人岂不是永远也无法伪造或复制了吗?

当然,威斯纳后来并没有以此发财。因为他的设想只是在原理上可行,在技术上还不能实现。

可即便是理论,在当时也没有人能懂。

幸好,威斯纳有个好朋友叫作本奈特,威斯纳把自己的这个想法告诉了他。

本奈特听后大为赞叹。他只要逮到机会,便向他人介绍威斯纳的理论。

1979年,本奈特在一场会议上认识了一位叫布拉萨德的博士生,两位年轻的科学家一见如故。聊到“量子钞票”时,他们经过思想的剧烈碰撞后很快发现,用“量子钞票”的理论造钞票虽然不行,但是可以往密码学上面套。他们连忙潜心研究,在1982年时合写了一篇论文,向世人介绍了一个新的理论,叫作“量子密码学”。

于是,在量子物理学诞生82年后,它和传统密码学的结晶——量子密码学问世了。

不过,虽然他们“用量子态来存储关键信息”的初衷看起来很好,可在二十世纪七八十年代,人们最擅长操纵的量子态是在真空中永远以光速飞行的光子。也就是说,光子不适合储藏,只适合传播。

于是,布拉萨德和本奈特又灵机一动想到,那我们为什么不发挥它的特长,让它来传递某种“不可伪造”“不可复制”的重要信息呢?

就这样,布拉萨德和本奈特在1983年又提出了一个新的理论。在这个理论中他们证明,科学家可以用光子形成的量子态,传输一组任意长的随机密钥。这个理论也就是视频开头提到的量子密码学。

终于,这个理论获得了广泛的关注,并以他们二人的姓名首字母命名,叫作BB84协议(BB84 protocol)。


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