量子通信从入门到精通、量子对讲机，量子执法记录仪

发布时间: 2025-09-26 09:18:36

量子通信是一种全新的通信方式，它利用了光子等粒子的量子力学特性来进行安全信息传递，是未来安全通信的核心要素。本文以浅显易懂的语言介绍了量子通信的相关知识，并给出了经典的BB84协议的图解，可以帮助读者很好地了解量子通信技术。

量子力学速成

假如您没有学习过相关内容，也大可不必看到量子力学四个字就开始发怵，实际上要理解量子通信技术，并不需要多深的理论知识，只要我们接受并认同几个科学结论即可。

《庄子·天下》有云：“一尺之捶，日取其半，万世不竭”。同样，在古代西方也有类似的芝诺悖论：擅于奔跑的阿基里斯神却永远追不上在他前面起跑的乌龟，因为在他跑到乌龟现在的位置时乌龟必定已经跑到了一个新的位置。

这两个故事所隐喻的道理都是事物的无限可分性：庄子说的是长度的无限可分，芝诺说的是时间的无限可分。不过量子力学告诉我们，事物是不能无限可分下去的，这就是理解量子通信技术所需要知道的第一个知识点，什么是量子？

量子力学表示，一个物理量如果存在最小的不可分割的基本单位，那么这个物理量就是量子化的，并把这个最小单位称为量子。后面我们提到的光子就是光量子的简称，只需要简单的认为光子是光线中携带能量的基本粒子即可。

接下来根据我们小学三年级就学过的知识就知道，光是一种电磁波，而且是横波，它的振动方向与前进方向是不一致的，这种现象叫做偏振。一般把这两个方向构成的平面叫做振动面，光也被称为平面偏振光或线偏振光，而且我们有办法改变和测量偏振光的方向，是时候配个图啦：

最后还需要接受四条量子力学定律，让我用不够严谨但却浅显的语言来描述一下：

不确定性

量子力学表示，你不可能同时测量准确一个微观粒子的某些物理量，比如位置和速度。这与我们对宏观世界的认知完全不同，我们很容易测量出一个人准确的身高和体重，当然对某些明星除外，可能全都测不准。

量子不可克隆

多利羊是可以克隆出来的，但是量子不行。在本文中，只需要简单地理解为没有任何方法可以克隆出与某个光子完全一致的另一个光子即可。

量子不可再分

前面你都接受了，这个就更简单了，只需要理解为光子为最小单位，不可能再把它进一步细分即可。

测量坍缩

假如你第一次称自己的体重是60kg，接下来立刻再称一次肯定还是60kg。而在量子领域，你第一次测量某个量子态是0，接着再测量一次同样量子态可能就变成了1，这是因为量子态在测量前的具体“值”只是一个概率分布，在你测量时它才会“坍缩”到某个具体的“值”。

好了，看到这里我相信大家都已经武装到了牙齿，即使以前没有相应的理论基础，也都可以明白量子通信的基本内容了。

传统通信弊端

不过作为对比，我们还是先来看一下传统通信。

传统通信最大的弊端就是容易被窃听，只要你关心信息安全问题，就不得不面对这一困境，因为不管是用电缆、光纤还是无线电波，窃听都是很容易的事情。

以电缆为例，根据我们小学一年级就学过的知识，大聪明只要在中间接一个万用表或者示波器之类的装置，就能窃听到小美和小帅的悄悄话，而且还不被发现。

同样，看起来很高端的光纤通信其实也很容易被窃听。基本原理是通过将光纤弯曲，使得部分光信号外泄，并被相应的探测器探测到。而由于光纤损耗会受到环境因素影响本来就是飘忽不定的，因此窃听所导致的损耗就会淹没在环境变化里，使人无法察觉。

所以在传统通信领域，各种加密就显得尤为重要，例如采用基于大质数P*Q的质因子分解困难性的RSA加密等等。

那么，就没有绝对安全的通信方式了么？当人们将目光投向了有着诸多“神秘”特性的量子力学领域时，突然发现，原来答案就藏在那飘忽不定之中。

什么是量子通信

简单来说，量子通信就是利用量子力学原理的一种通信形式，它主要是利用量子力学中的不确定性、测量坍缩和不可克隆三大原理，提供了无法被窃听（或者说窃听必被觉察）和计算破解的绝对安全性保证。

当然，这里所说的绝对指的是在原理层面上，假如你通过社会工程学方面进行攻击，比如说买通了操作员，那就是另外一个问题了。

目前火热的量子通信严格来说都是基于光子实现的“量子加密通讯”或者说“量子密钥分发（Quantum Key Distribution即QKD）”。因为我们不可能耗费巨大的资源去传输整个数据，于是便只通过量子信道去传输密钥，发送方使用密钥对数据加密后，再通过传统通道进行传输，最后由接收方用密钥进行解密。由于量子通信保证了密钥无法被窃取，也就保证了数据的安全性。

那么量子通信该如何进行呢？方式和协议当然会有多种，不过最值得一说的，自然是著名的BB84协议。

BB84协议

顾名思义，BB84协议是在1984年，由IBM公司的Bennet和加拿大人Brassard共同提出来的量子密钥分发概念和协议，后来又得到进一步改进，并由科学家在2001年从理论上证明了完美的BB84协议，具有无条件的安全性。

不过这不重要，重要的是有了前面量子力学速成的帮助，这个协议我们每个人都能看懂，接下来我们就一起看一下吧：

BB84协议要求两个通信信道，一个是量子信道，一个是传统信道（下文就用电话为例）。同时我们选择以光子进行量子通信。

先来阐述一些基本设定。

小美要发送信息给小帅，她有4个单光子发送装置，分别可以发送水平偏振光、竖直偏振光、左斜偏振光和右斜偏振光的装置，并和小帅约定好了，自己发送的水平和左斜的偏振光子代表0，竖直和右斜的偏振光子代表1，如下图所示：

小帅作为接收方，他也有两个工具，一个是＋型接收器，只允许水平或竖直偏振光通过，另一个是×型接收器，只允许左斜或右斜偏振光通过，如下图所示：

同时要求，小美每次随机从她的四个装置中选择一个来发送一个光子给小帅，小帅每次也随机从他两个接收器中选择一个来接收，注意，是双随机哦。

基于前面的设定，当小美发送信息并由小帅接收后就会出现多种情况，具体组合如下图所示：

从图中可以看到，如果小帅恰好选用了＋型器接收到水平或竖直光子时、或者恰好用×型接收器接收到左斜和右斜光子时，就能正确的知道小美发送的信息是什么。而如果用错了接收器，光子为了“适应”接收器，它在通过接收器后就会由于测量坍缩效应而等概率地变成接收器的两个方向之一，也就是说会五五开知道小美发送了什么。这样整体计算下来，传递一个光子的误码率大概为：

接下来就可以描述通信过程了。

第一步，小美决定发送一个二进制序列10110011010011，注意是小美自己随机决定的，任何其他人都不知道，包括小帅和大聪明。
第二步，小美随机的为每个二进位选择了一个发送装置，比如对于0，可能用水平也可能用左斜发送器。
第三步，针对小美发送的每一个二进制位，小帅随机的选择一个接收器来接收。

至此，量子信道的交互就完成了。由于两人都是随机选择，所以为书写方便，我们不妨假设随机选择的结果如下图所示：

根据上图很容易就可以看出，比如第3位小帅就接收错误，第7位却歪打正着接收正确了。

接下来的通信都在传统信道上进行了。

第四步，小帅打电话告诉小美自己针对每一个位都选择了什么接收器，大聪明即使知道了小帅用了什么接收器，然而却不知道小帅的接收结果，因此毫无意义。
第五步，小美对比自己的发送器使用情况，显然能知道小帅在哪些位置用对了接收器，哪些位置用错了接收器，在本例中就是第1、4、5、6、8、9、10、12、14位，她把这个结果告诉小帅。
第六步，小帅从这些位置中随机选出几个，比如8、10、12，告诉小美自己的测量结果是101。
第七步，小美核对一下如果自己发送的的确是101就告诉小帅OK，否则肯定是有人窃听或其它原因，可以选择中止通信或者重新从第一步开始。
第八步，两人按照约定，剔除掉第六步中的三个位置，即只使用1、4、5、6、9这五个位置，这五个位置上发送的二进制位是11000，就把它当作密钥来使用。

整个过程就是这么简单，不要告诉我你没看懂，否则那一定是我描述的不够好，于是我强烈建议你把这文章叉掉，再给我一次机会从头看起，顺便转发你朋友圈围观一下。

量子通信的安全性

那么，量子通信的安全性是如何保证的呢？我相信聪明的你一定早就发现了，前面量子力学速成里的好多知识还没用上，没错，就是它们完成了这一项艰巨的任务。

首先来看一下量子信道上的通信，假设大聪明能够截获小美发送的光子，由于光子不可克隆，因此大聪明没法克隆一个光子来进行测量并保证原光子未改变再发送给小帅；假设大聪明直接对这个光子测量后再发送给小帅，又由于测量坍缩，光子的状态会被改变，小帅就可能接收不到小美发送的正确信息，会导致通信的误码率大大上升，小美和小帅就会发现有人在窃听，直接选择中止通信或重新进行密钥分发，前面的第六、七步其实就是一个校验。在第七步时，如果有人窃听，那么小帅发给小美的就可能不是101而是110或者其它。大聪明对每一位进行窃听测量以后，就相当于重新发送了一个光子给小帅，按照前面的计算，本来不会出错的每个光子就会出现25%的误码率。那么我们很容易就算出，窃听后还能完美的发送无错误信息不被发现的概率只有：

假如我们的校验位提高到32位，那么不被发现的概率就约只有了。

再来看一下传统信道上，即使传统信道是完全开放的，大聪明也只能知道小帅用了哪些接收器、哪些接收器接收正确，还能知道几个正确的接收值，然而这几个接收值又被舍弃了，因此这些信息对大聪明而言完全无用。

这样，量子通信就从原理上保证了绝对的安全性。

不过，话又说回来，量子通信真的就那么牢不可破吗？

当然不是。前面已经提到，社会工程学攻击依然可以大行其道。另外在纯技术层面上，量子通信的完美场景也不存在。例如：现在仍没有成熟的技术可以一次只发送一个光子，大聪明如果拦截了一次发送的多个光子中的几个，并不会影响误码率。当然攻击的方式也可以是多种多样的，本着我听不到也让你们俩聊不成的原则，大聪明可以用类似DDOS的方式野蛮介入，你发现我窃听怎么着，我就让你们完不成密钥交换，这岂不也是一种方式？

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