量子通信是近几年比较热门的词，全球首颗量子通讯科学实验卫星墨子号，也于2016年8月16日升空，这篇文章就让我们来了解一下量子通讯的基本原理。
传统通信
从古至今，通信都是一项关于国家命运的大事，古时侯用飞鸽传书，缺点在于通信不及时；近代用电报来传输信息，解决了传输速率问题，并且在安全性上又带来新的考验。
你用电报发送信息时，信息会被监听者查获，这时侯就须要对信息进行加密，例如我们要传输信息“”，就可以先和接收方约定加密方法：
密文：M；
明文：N；
加密方法：N=M*15-25；
发送方要传递密文M=，先经过加密得到明文N：
N=*15-25=；
接收方得到明文N后，按照反运算M=（N+25）/15，就可以解码出密文M，只要监听者不晓得加密方法，就难以得到密文。
实际的加密方法要复杂好多，尤其是在战争时期，信息的加密和破译，成为特别重要的敌后战场，从简单的移位法、替代法，逐渐发展成为更中级的对称算法和非对称算法。
加密方式
在物理中，我们把两个大的素数相加很容易，而且在不晓得其中一个因子的情况下，要分解一个大数相当难，于是我们就可以借助这些算法复杂程度的不对称，来设计加密秘钥和揭秘秘钥。
假如加密秘钥和揭秘秘钥一样，也称对称加密；倘若三者不一样，其中加密秘钥可以公开（私钥），就叫做非对称加密；现代网路中常用的RSA算法，就是一种非对称加密算法，安全性依赖于大数分解难度。
这样的加密方法，理论上可以达到很高的安全性，但并非不可破解，安全性方面的缺点如下：
缺点一：信息发送方首次把揭秘秘钥送到接收方时，监听者有可能在双方不察觉的情况下，盗取双方的揭秘秘钥，也就是秘钥分发不安全，解决办法通常是使用数字签名；
缺点二：无法做到一文一密，一旦揭秘秘钥被破解，这么所有信息都将窃取，目前的解决办法，就是不断降低大数数位，来降低暴力破解的难度；
随着量子计算机的发展，人们发觉量子计算机的并行估算能力，可以轻易击溃传统加密方法；例如传统计算机要分解一个512位的大数须要上万年，并且一个2000量子比特的量子计算机只要几秒钟。
量子通讯
假如使用量子通讯，就可以彻底解决秘钥分发和一文一密的问题，但是量子热学的基本原理，可以保证量子通讯的绝对安全。
在了解量子通讯之前，我们先来了解量子纠缠现象，量子热学正统展现强调，处于纠缠态的粒子，无论相距多远，都保持着某种联系，直至我们观察其中一个粒午时，两个粒子会随机坍缩成单一态。
这点早已被诸多实验所否认，例如贝尔实验、延迟选择实验等等，之后我们就可以按照这一原理，设计出一套完美无缺的通信方法。
BB84合同
1984年，两位科学家和，联合提出了世界上第一个量子秘钥分发合同——BB84合同，随后拉开了量子加密实用化的进程。
精典比特使用光子的有无来表示信息，例如有光子表示“1”，没有光子表示“0”；在量子比特中，我们可以使用光子的偏振光方向来表示信息；BB84合同设计两套编码，共四种状态，如右图：
信息接收方有两种检测基（偏振光片），假如用偏振光片1检测编码1，光子的偏振光方向不会发生改变，同样我们用偏振光片2检测编码2时，光子的偏振光方向也不会改变。
假如我们选错了检测基，例如用偏振光片1检测编码2，或则用偏振光片2检测编码1时，这么依照量子热学原理：偏振光片和光子偏振光方向呈45°角时，穿过偏振光片的光子将随机变为另外一套编码的偏振光方向，各有50%的机率为“0”或者“1”。
例如发送方给接收方一组纠缠光子，之后接收方随机选择一组偏振光片，对每位光子进行检测；按照量子纠缠原理，发送方和接收方的纠缠光子，在检测的刹那间，随机塌缩成单一态。
这都会出现两种情况：
（1）对于每一个纠缠光子，假如接收方选定了正确的偏振光片，这么双方得到的光子偏振光方向是一样的；
（2）假如接收方选定了错误的偏振光片，这么接收方的光子偏振光方向都会发生变化，并随机变为“1”或者“0”；
这时侯双方就要沟通了，接收方借助传统信道告诉发射方，他对每位光子使用了何种类型的偏振光片来观察，这个信息不怕被监听者晓得，可以完全公开。
因为发射方晓得每对纠缠光子的正确偏振光方向，所以发射方也就晓得接收方的什么偏振光片方向是正确的，以及什么光子发生了随机变化，之后借助传统信道告诉接收方什么偏振光片是错误的须要剔除，最后只留下正确的光子。
留出来的光子，就可以作为量子通讯的秘钥，这就是BB84合同中秘钥分发的过程；假如监听者想要进行监听，就须要同时晓得传统公开信道的所有信息，以及量子信道信息。
后者是可以完全公开的，并且量子信道的信息，是通过量子纠缠传送的随机信息，第二者未能获取量子传输技术，甚至第二者连监听的渠道都没有，由于量子纠缠是超距行为，不须要实体的传输通道。
第二者还有一个监听办法，就是在发射方给接收方发送纠缠光午时，监听者可以在中途截取纠缠光子，并且监听者也不晓得偏振光片的正确方向，于是他对纠缠光子的检测，必将导致纠缠光子的波包塌缩，进而造成发射方和接收方的误分辨率异常。
可以估算出，每位光子的正常误分辨率为25%（50%选错检测基*50%“0”和“1”随机塌缩），一旦纠缠光子在中途被第二者监听，接收方的误分辨率都会达到50%，最终造成接收方的信息未能正确解码。
也就是说，监听者每泄露一个量子比特信息，被发觉的机率就是25%；泄露50个时，被发觉的机率高达1-（1-25%）^50=99.97%，在实际当中量子传输技术，信息的传递都是每秒几亿以上的量子比特。
所以量子秘钥分发只要被监听，就肯定会被发觉，之后双方扔掉被监听的信息，重新构建量子通讯信道，直至不被监听为止。
在传统通信当中，监听者可以截取精典信息后，再给接收方发送信息，让接收方误以为信息是从发送方来的，因而达到秘密监听的疗效；并且这一方式在量子通讯中失效了，由于“量子不可克隆原理”的存在，促使监听者难以在不影响原光子的情况下，去克隆发射方发出的纠缠光子，这是数学定理不容许的。
于是，量子通讯中的秘钥分发，可以达到绝对的安全，在2001年，理想的BB84合同被证明无条件安全，但是量子通讯可以做到一文一密，也就是说我们要传输的信息，就起码须要使用的量子秘钥。
从原理可以看出，BB84合同本质上解决的是秘钥分发问题，并非借助量子纠缠传递有效信息；量子通讯借助量子秘钥去加密信息，信息经过传统信道分发给对方，对方再通过量子秘钥解开加密信息。
整个过程中，有效信息的传递依赖于量子信道和传统信道，量子秘钥的传递速率可以看成量子纠缠速率，也就是超光速的（量子纠缠的瞬时性），然而量子秘钥是随机的，不包含任何有效信息。
只有全部领到了传统信道信息和量子信道信息，能够解码双方要传递的信息，所以有效信息的传递速率取决于传统信道，整个过程并没有遵守相对论的光速不变原理。
对于BB84合同，理想情况是不可破译的，但实际当中很难达到理想情况；诸如量子通讯要求发射方是单光子源，接收方也是单光子侦测器，纠缠光子的传送通道还不能受干扰。
在目前技术下，还远远达不到理想条件，只能采取一些谦让举措，例如用弱相干光取代单光子源，使用大量纠错码或则只在夜晚实验来增强抗干扰能力等等，这就有可能带来新的漏洞，弄成猫捉老鼠的游戏。
BB84合同只是量子通讯中的一种合同形式，要实现上去十分困难，而且通过BB84合同，我们可以看见量子通讯的潜力是十分大的；如今“猫”还没长大而已，等哪天“猫”长大了，老鼠自然就不存在了！
我的内容就到这儿，喜欢我们文章的读者同学，记得点击关注我们——艾伯史密斯！
