量子通信起源于对通信保密的要求｡通信安全自古以来一直受到人们的重视,特别是在军事领域｡当今社会,随着信息化程度的不断提高,如互联网､即时通信和电子商务等应用,都涉及到信息安全,信息安全又关系到每个人的切身利益｡对信息进行加密是保证信息安全的重要方法之一｡
G.Vernam在1917年提出一次一密(OneTimePad,OTP)的思想,对于明文采用一串与其等长的随机数进行加密(相异或),接收方用同样的随机数进行解密(再次异或)｡这里的随机数称为密钥,其真正随机且只用一次｡OTP协议已经被证明是安全的,但关键是要有足够长的密钥,必须实现在不安全的信道(存在窃听)中无条件地安全地分发密钥,这在经典领域很难做到｡
后来,出现了公钥密码体制,如著名的RSA协议｡在这类协议中,接收方有一个公钥和一个私钥,接收方将公钥发给发送方,发送方用这个公钥对数据进行加密,然后发给接收方,只有用私钥才能解密数据｡公钥密码被大量应用着,它的安全性由数学假设来保证,即一个大数的质因数分解是一个非常困难的问题｡
但是量子计算机的提出,改变了这个观点｡已经证明:一旦量子计算机实现了,大数很容易被分解,从而现在广为应用的密码系统完全可以被破解｡幸运的是,在人们认识到量子计算机的威力之前,基于量子力学原理的量子密钥分发(QuantumKeydistribution,QKD)技术就被提出来了｡量子密钥分发应用了量子力学的原理,可以实现无条件安全的密钥分发,进而结合OTP策略,确保通信的绝对保密｡
量子通信的基本概念及特点
量子通信是指应用了量子力学的基本原理或量子特性进行信息传输的一种通信方式｡它有以下特点:
(1)量子通信具有无条件的安全性｡
量子通信起源于利用量子密钥分发获得的密钥加密信息,基于量子密钥分发的无条件安全性,从而可实现安全的保密通信｡QKD利用量子力学的海森堡不确定性原理和量子态不可克隆定理,前者保证了窃听者在不知道发送方编码基的情况下无法准确测量获得量子态的信息,后者使得窃听者无法复制一份量子态在得知编码基后进行测量,从而使得窃听必然导致明显的误码,于是通信双方能够察觉出被窃听｡
(2)量子通信具有传输的高效性｡
根据量子力学的叠加原理,一个n维量子态的本征展开式有2n项,每项前面都有一个系数,传输一个量子态相当于同时传输这2n个数据｡可见,量子态携载的信息非常丰富,使其不但在传输方面,而且在存储､处理等方面相比于经典方法更为高效｡
(3)可以利用量子物理的纠缠资源｡
纠缠是量子力学中独有的资源,相互纠缠的粒子之间存在一种关联,无论它们的位置相距多远,若其中一个粒子改变,另一个必然改变,或者说一个经测量塌缩,另一个也必然塌缩到对应的量子态上｡这种关联的保持可以用贝尔不等式来检验,因此用纠缠可以协商密钥,若存在窃听,即可被发现｡利用纠缠的这种特性(量子力学上称为非局域性),也可以实现量子态的远程传输｡
