您当前的位置:首页 > 科普园地

通俗版量子保密通信(二):窃听必留痕迹

时间:2020-04-17 11:00:00  阅读:252

撰文|王向斌,清华大学物理系

 

      在量子密钥分发中,我们用量子态(比如,单光子偏振)加载密码数据0或1.量子态传输过程中,任何窃听必然留下痕迹,这是量子态的基本属性:由于密钥数据加载在量子态中,若窃听者要窃听,想知道密钥,必须要观测量子态,这必然会对量子态产生扰动。对未知量子态的测量必会对量子态带来扰动。这点是由量子物理学基本原理所保证的,这是绝对的。既然是原理所保证的,这就与技术手段无关,没有任何技术能够违反这点。

 

      仅这么说,你还是不知道到底怎么做。特别是:究竟是什么使得窃听(观测)一定带来扰动,而远程合法接受端的用户却能有效地观测量子态并获得密钥?

 

      量子玫瑰。想象,把量子态的测量规则用到玫瑰花上,量子玫瑰,平时未被观测时烟雾缭绕一团。若对其观测,必遵守下列规则:

 

      基础规则:以光照之可现其色彩,非红即白,永无例外;以风吹之可现其气味,非浓香即淡香,永无例外。

      核心规则:观测色彩必扰乱气味,导致其气味完全不确定,观测气味必扰乱色彩,导致其色彩完全不确定。

 

      据此法则,对于原本观测到是红色的玫瑰,我们简称红玫瑰,你观测其气味后,它未必还是红玫瑰,它可能是红也可能是白,各占五五波。这样,对于量子玫瑰,我们只能确定其色彩或气味中的一个,比如说,你可以制备出一束红玫瑰或白玫瑰,也可以制备出一束浓香型玫瑰或淡香型玫瑰,但是,上述核心规则令你永远无法制备出诸如“淡香型的白玫瑰”,那相当于要去画一个“正方形的圆”,从根上就不自洽。虽然,经典世界的确有“淡香型白玫瑰”,而这量子玫瑰却不同。它得毫无例外地遵从上段规则。若其色彩确知,其气味必然完全不确定,反之亦然。这与你的观测能力无关,这是量子玫瑰自身的属性,是大自然的基本法则。

 

      用量子玫瑰花产生密钥。约定:红玫瑰代表1,白玫瑰代表0;浓香玫瑰代表1,淡香玫瑰代表0. 你向远处的他发送了一系列单束玫瑰,每个单束玫瑰,发送前,你已经(私密)随机地将其制备成红,白,浓,淡中的一种。(你记得每束是哪种。)他收到玫瑰后,你告诉他,对每一束玫瑰应观测色彩还是气味。(对应于你所制备的那些红玫瑰和白玫瑰,他应观测其色彩;对应于你所制备的那些浓香玫瑰和淡香玫瑰,他应观测其气味)。他按照你的指示去做,完成相应的观测后,也就同时获得密码了:每一束玫瑰对应一个数字,若他观测了色彩,红1白0;若他观测了气味,浓1淡0. 为确保安全,你和他抽取一部分数据比对,如果这些抽取的数据一摸一样,那么剩下未比对的数据就可以用来做安全密钥了 !

 

      为什么是安全的呢?因为窃听必留痕迹,即必然会导致你们比对的数据不完全一样。因为你的密码数据加载在玫瑰花上,窃听者要想知道你的密钥,就必须要观测你的玫瑰花。但是对于每一束玫瑰花,他不知道应该观其色彩还是气味。如果,对于你发出的某一束红玫瑰,她(窃听者)观测其气味,根据上述核心规则,观测气味后这玫瑰的色彩就完全不确定了。将来你的远端搭档他,再观测其色彩时有五成的可能性会发现是白色。可以想象,若窃听者对每一束量子玫瑰自行决定是观测其色彩还是观测其气味,那就意味着有一半的量子玫瑰受到了窃听者的扰动,这将使得你的搭档他,会得到大量的错误数据,也将会在你们随机抽取的数据比对中暴露无遗。

 

      你可能会问,对每一束量子玫瑰,窃听者可以同时观测色彩和气味吗?不能!这是前面的核心规则决定了的,这相当于要求窃听者去画一个“正方形的圆”。你可能又问,窃听者能否将每一束量子玫瑰一分为二,自己留下半束,将另外半束发给你的搭档他,将来你指示搭档怎样观测每束玫瑰(色彩或气味),窃听者自己就按你的指示作相应的观测?窃听者无法这样做。爱因斯坦早就告诉了我们大自然的另一条基本法则:量子玫瑰的最小单位是一束,半束量子玫瑰永不存在。当然,在他那里,他给这量子玫瑰另外一个称呼:光子。

 

      必须指出,在量子密钥分发中,这神秘的单束量子玫瑰就是单光子,我们利用它的偏振状态:两个直角偏振状态,竖的或横的各代表1或0;两个斜角偏振状态:135度的或45度的,各代表1或0.

 

      窃听必然留下痕迹是单量子态的基本属性,这点是绝对的。但是,在实际量子通信中,我们并没有理想的单光子源,即我们没有办法保证每次发射都发了一个单束量子玫瑰。如果,某次发射你发出了两束一样的玫瑰,比如说都是红玫瑰,窃听者只要扣下一支便可以在将来测得该数值。进一步,冒充通道损耗,窃听者可阻止所有的单束玫瑰事件,而只放行多束玫瑰事件中的一束,她就能够不留痕迹地获取你的所有密码。下一篇文章中,我们将会介绍,即便使用非理想的实际光源,有时候会发偏振相同的多个光子,我们也有办法获得与理想的单光子源同等安全的密钥,这就是著名的诱骗态方法,它将实用化量子保密通信的研发推向了前所未有的高度。

 

      未完待续。


返回首页
返回首页
返回上级
返回上级
推荐资讯
栏目更新
栏目热门

版权所有:济南量子技术研究院   地址:中国山东省济南高新区新泺大街1768号

备案/许可证号:鲁ICP备14020872号-1            1024*768分辨率,16位以上颜色,IE7以上版本浏览器