媒體常將“量子通信”作為量子密碼的代稱，但其實量子密碼只是量子通信中最常見、最具實際應用潛力的一種技術。量子密碼的真正作用是通過量子物理實現安全的密鑰分發，它并不是一種超光速的通信方式。盡管科幻小說如《三體》里描述了外星人用量子通信實現信息瞬間傳輸，但現實中的量子密碼并不超越光速，因為其密鑰分發和經典通信都要遵循光速限制。

量子密碼和傳統密碼的區別

量子密碼被認為是一種“不可破解”的密碼技術，但并非因為它無法被物理手段破壞，而是因為它的安全性不依賴于數學難題。傳統密碼學依賴復雜的數學問題來確保安全，比如分解大整數的RSA密碼，這類密碼的破解難度依賴于敵人的計算能力。然而，量子密碼的安全性依賴于物理原理——量子力學定律。這使得量子密碼具備“無條件安全性”，即使敵人擁有無限的計算能力也無法破解。

理解量子密碼的優勢，需先了解傳統密碼學的基本結構。任何密碼體系都有兩部分：算法和密鑰。凱撒密碼是最早的一個簡單例子，其算法是字母偏移，而偏移的位數就是密鑰。現代密碼學的核心在于密鑰的保密性，而非算法的隱藏性。根據凱爾科夫原則（Kerckhoffs's Principle），密碼算法是公開的，安全性全由密鑰保障。

在傳統密碼中，一次性便箋是已知唯一可以達到無條件安全的加密方式。它要求以下三個條件：

密鑰是完全隨機的。

密鑰長度等于明文長度。

每個密鑰僅使用一次。

若滿足這些條件，一次性便箋可以確保完全安全，因為密文無任何可供分析的結構。然而，這種方法的最大問題在于密鑰分發的難度。

信使的消失——量子密碼的優勢

1970年代，公鑰密碼（非對稱加密）引入了一種無需信使傳遞密鑰的方法，其基本原理基于難解的數學問題，如質因數分解的困難性。盡管這種方法解決了密鑰分發問題，但它仍然無法避免被數學破解的風險。

量子密碼的出現為密碼學帶來了全新思路。量子密碼能通過量子物理產生并分發密鑰，而無需信使。這種分發方式被稱為量子密鑰分發（Quantum Key Distribution, QKD），也是量子密碼的核心技術。

BB84協議是量子密碼學的基礎協議，由查爾斯·貝內特（Charles Bennett）和吉勒·布拉薩德（Gilles Brassard）于1984年提出，采用量子疊加和量子測量的原理。其流程包括：

Alice向Bob發送一系列單光子，每個光子的偏振態代表一位信息。

Bob在不確定光子偏振方向的情況下接收并測量這些光子。

通過一系列后續通信步驟，雙方可以在測量后篩選出一致的數據位。

這一過程確保了密鑰生成的安全性——任何第三方的竊聽行為都會不可避免地影響光子狀態，從而被Alice和Bob察覺。因此，量子密鑰分發能夠實現高度安全的密鑰共享。

量子密碼的獨特之處在于它依賴物理原理，而非數學難題。只要量子力學的基本定律成立，量子密碼的安全性就是不可破的。量子密碼使得無條件安全不再是理論上的幻想，而是能夠在真實世界實現的目標。通過量子密鑰分發，通信雙方可以生成一次性密鑰并實現絕對安全的通信，開創了加密領域的全新時代。

目前，量子密碼的應用仍受限于距離、設備等因素，但技術進步正在不斷擴大其應用范圍。未來的量子通信網絡，可能依靠量子中繼器擴展量子密鑰分發的距離，實現全球范圍的安全通信。

作者：《你也可以理解量子信息》風云際會

審核：羅會仟 中科院物理所研究員

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