全球联：对量子密码术的讲解
量子密码术是密码术与量子力学结合的产物，它利用了系统所具有的量子性质。首先想到将量子物理用于密码术的是美国科学家威斯纳。威斯纳于1970年提出，可利用单量子态制造不可伪造的“电子钞票”。但这个设想的实现需要长时间保存单量子态，不太现实。贝内特和布拉萨德在研究中发现，单量子态虽然不好保存但可用于传输信息。1984年，贝内特和布拉萨德提出了第一个量子密码术方案，称为BB84方案，由此迎来了量子密码术的新时期。
量子密码术是怎么实现保密的呢？跟传统密码术一样，也是通过算法和密钥。实际上，量子密码术用的算法还是个特别简单的算法，简单到三言两语就能说清楚。
任何一串信息，都可以表示成一串二进制字符，即一串 0 和 1。对这个 01 字符串的每一位数字a，我们都给它一个对应的密钥 k，这个k 也是一个 0 或 1 的数字。根据 a 和k，就可以算出对应的密文 b，它也是一个 0 或 1的数字。
对应的规则是：如果 k= 0，那么 b就等于 a；如果k= 1，那么b 就等于 0 和 1 中不等于 a 的那一个。也就是说，k = 0 就把 0 变成 0，1 变成 1，而 k =1就把 0 变成1，1 变成 0。再简单一点说， k= 0 就不变， k= 1 就将 0 和1 互换。这个算法叫作“异或”。
你也许会感到奇怪，那么多复杂的算法都保不了密，这个最简单的算法凭什么可以？
诀窍不在于算法，而在于密钥。请注意，这里的密钥不是只有一位数字。如果只有一位数字，那当然完全没有保密效果。实际情况是，对于原文的每一位，都相应地有一位密钥。也就是说，如果原文的长度是n 位，那么密钥的长度也是n位。如果原文像《红楼梦》那么长，那么密钥也需要这么长。
另外，这串密钥的字符串还必须是个随机的字符串。也就是说，每一位都是随机的 0 或者 1，任意两位数之间，没有任何联系。
此外，这么长的密钥，还只能用一次。也就是说，你这次用n 位的密钥传输 n位的原文，下次你传同样的内容，还必须从头再来，重新构造 n位的密钥，千万不能把原来的密钥再用一次。这叫作“一次一密”。
量子密码术中的密钥就是满足这样 3 个条件的字符串：长度跟明文相等，随机，一次一密。
为什么要这样做呢？因为这样就绝对不会被数学方法破译。为什么不可能被破译？因为这样的一段密文，可能对应任何的一段跟它等长的明文，而且概率相等。比如说，既可能对应“明天上午向东进攻”，也可能以同样的概率对应“后天下午向西撤退”或“飞出地球移民宇宙”……
对这样没有任何偏向性的密文，数学分析完全无从下手，因为这里根本就没有一个让你解决的数学问题。
长度跟明文相等、随机、一次一密，满足这 3 个条件的密钥叫作“一次性便笺”。因此，密码学中一个重要的定理就是：用一次性便笺加密的密文，是绝对不可破译的。这条定理是信息论的创始人克劳德·香农证明的。
值得注意的是，一次性便笺中的 3 个条件缺一不可。无论是密钥长度小于明文，还是密钥的各位之间有联系，还是同一串密钥用了两次，都会导致密文呈现某种结构，这样对手就有了着力之处，就可能通过频率分析之类的手段破解密码。
一次性便笺方法早在第一次世界大战的末期就发明了，但很少实际应用。原因是，传送这样大量的密钥非常困难。如果像《红灯记》《潜伏》等谍战片一样，派信使去传密钥，那么一旦信使被抓或叛变，损失将十分巨大。因此，一次性便笺方法只用在不惜任何代价要保证信息安全的地方，例如国家元首之间的通话。
量子密码术改变了这种状况，它的办法是：用量子力学的物理方法，在通信双方之间产生一次性便笺密钥。这里的关键是：双方同时获得了密钥！没有第三者信使在中间传输！
这是非常巧妙的思想，是量子力学创造的奇迹。量子密码术的技术含量，就是表现在这里。量子密钥的产生过程，同时就是分发过程，因此量子密码术又有个专业名称，叫作“量子密钥分发”。
那么，量子密码术是怎么实现无信使的密钥分发的呢？一个简略的解释是：量子密码术利用了量子力学中的两个原理，一个是叠加原理，另一个是测量可能导致状态突变。基于这两个原理，通过发射和接收一系列处于随机状态的单光子，来使通信双方获得一串相同的随机字符串。这串随机字符串就是一次性便笺密钥。
通过一系列操作以后，双方都获得了一串随机的 0 和 1，比如说0010111001001010101……最重要的是，双方的这个字符串完全一样。这就是最终的效果。
有了密钥之后，就用“异或”加密算法，用密钥把明文加密成密文，把密文发送出去。既然密文已经是不可破译的了，这一步就不需要任何特别的设备，直接在传统信道上大摇大摆地走就是了，敌方截获也无妨。
一个常见的误解，是以为最后的信息传送要通过某种量子信道。当他们知道传统信道就行的时候，就感到大惑不解，甚至以为搞量子通信的都是骗子。
另一个常见的误解，是以为密钥也要通过传统信道传输。这是绝对不可能的，如果要将密钥通过不安全的信道发出去，那就完全失去了保密的意义。任何密码系统都不会愚蠢到这种程度。
总结一下，量子密码术真实的做法是：用量子信道产生密钥，用传统信道传送密文。你也许想问：既然量子信道可以保证不泄密，那为什么不直接用量子信道传输信息，而只是传输密钥呢？因为这种量子力学的操作只能产生随机字符串，随机字符串的信息量是零，所以这种操作本身不能传输信息。因此，这种方法的提出者在很长时间内想不出它有什么用，直到发现这段随机字符串可以作密钥，才让这种方法有了用武之地。