量子通信产业化进展积极 量子通信概念股值得关注

3.2 BB84协议——量子密钥分配协议

1984年，IBM公司的Bennett和加拿大的Brassard提出了量子密钥分配的新概念和对应的量子密钥分配协议——BB84协议。

量子比特概念

在量子通信概念中，量子指代的即是光子，最小的光能量携带单位。光子具有波粒二象性，是粒子的同时也是一种电磁波。光子在垂直传播方向的平面上振动，振动方向可以有360度，而任意方向的振动都可以分解在一个互相垂直的坐标系上。

例如，如下图：

码元0对应光子偏振方向为水平或斜向下45度

码元1对应光子偏振方向为垂直或斜向上45度

那么，如下图，编码为“10”的量子比特经过测量基1之后收到的还是“10”信号；而经过测量基2之后收到的信号具有不确定性，有“00”、“01”、“10”、“11”共4种可能性，每种可能性都一样，即各为25%。

简单点，对于单独一个量子比特，经过一个正确的测量基后测量正确，而经过一个错误的测量基后测量正确率为50%，错误率也是50%；而如果随机选择测量基，那么选对的测量基的概率为50%，错的概率也是50%。那么对于随机测量一个量子比特的正确率为50%（选对测量基）+50%*50%（因为结果非0即1，所以错误测量基有一半概率蒙对）=75%，错误率为50%（选错测量基）*50%（因为结果非0即1，所以错误测量基有一半概率蒙错）=25%。

那么如果发出一长串的量子比特序列，因为数目巨大，从概率学上讲，整体的错误率将在25%左右。

于是BB84协议为：

发送端发生一串量子比特序列，每个量子比特的偏振状态为随机的一种（有垂直、水平、斜上、斜下4种），这个即为一次密钥；

接收端随机用两种测量基测量量子比特序列，得到一串存在错误的密钥，误码率约为25%；

接收端与发送端通过公开信道（即通用的信道，可能被窃听）交流，发送端把错误的测量基告诉接收端，双方一致扔掉错误的信号，生成新的密钥。

窃听者需要同时窃听公开信道的测量基序列和量子通道的量子比特序列才能窃听得到密钥，而窃听量子通道的过程中有50%的概率选用了错误的测量基，则在第二步直接改变了信号，那么接收端（包括窃听端）和发送端的信号不一致，最后窃听者和接收端都无法正确解码，并且接收端在第三步检验时会发现误码率异常（密钥中每一个码元都有25%的机率被窃听者变成误码，100个码元不出错的概率为（1-25%）^100=3.2* 10^（-13），近似为零；而序列事实上远远超过100个，最后的密钥一定出错，窃听者无法不被发现。

2001年，科学家从理论上证明完美的BB84协议，具有无条件的安全性。