这篇博文介绍一下量子通信中的一个小小的知识点：BB84合同。其实它是与令人望而生畏的“量子”相关的知识，并且弄清最最基本的原理也并不是很难。本篇博文大部份内容来自知乎上的一篇科普简单版科普[1]和公众号“混知”的文章《Stone小知识》–量子卫星究竟是干嘛的？[2]。更深入的相关知识，网上有好多深入科普（例如有篇深入版科普[3]），而且我全都看不懂，所以不做深入介绍。
为何须要量子秘钥分发
BB84合同是一种“密钥分发合同”，所以从功能上来讲，它要实现的目标与之前的一篇密码学专栏里介绍的RSA加密算法一样，都是安全地传递秘钥。相信你们也据说过，RSA算法从原理上来讲并不是不可破解的而是“很难破解”的，即通过私钥破解加密的密文并不是不可能做到，而是通过私钥破解密文很难，可能须要成百上千年。这就相当于让破解者做一道很难算的物理题，等破解者算下来，此次通信早已结束，对称秘钥早已弃用（RSA加密的通常是对称加密算法的秘钥，详见之前的一篇密码学专栏），破解早已没有意义了。
并且可以想见的是，随着计算机性能的不断提高，原先须要成百上千年才会做下来的物理困局如今说不定只用几秒才能算下来，但是新兴的量子估算也对RSA加密算法构成恐吓，理论上讲，秘钥为1024位长的RSA算法，用一台512量子比特位的量子计算机在一秒内即可破解。
而本篇博文介绍的BB84合同就是一种比RSA更可靠的秘钥分发机制（更确切地说，BB84是一种秘钥协商机制，但我们暂时不分辨“密钥分发”与“密钥协商”的区别）。
通信工具
首先，BB84合同要求通讯双方拥有一条量子信道的同时，还拥有一条传统信道。
之后在量子信道上，信息发送方须要4种状态的量子作为信使，信息接收方须要2种量子接收器。为了避免高深的量子知识，我们想像4种量子信使是4种姿态不同的飞镖，我们把飞镖分成两组：“横竖”组和“撇捺”组。
两组量子信使须要分别使用两种不同的接收器来接收。“横竖”组对应“+”形接收器，“撇捺”组对应“x”形接收器。
基本通信
我们规定每组量子中有一种姿态代表0，另一种代表1。比如，我们规定，接收到“横”代表0，这么，接收到“竖”代表1。同理，规定接收到“撇”代表0，接收到“捺”代表1。
如今若果我们选购正确的接收器，这么我们能正确地接收到信息发送者想发给我们的信息。比如，我们假如用“+”形接收器来接收姿态为“横”的量子，这么我们得到的讯号就是“横”，这么发送者想传递的“0”这个讯号都会被我们正确地接收到。
假如我们没有用正确的接收器会发生哪些呢？假如我们用“x”形接收器接收姿态为“横”的量子会发生哪些呢？量子信使会撞在接收器的入口上，造成接收器接收不到信使吗？不一定。
下边是这篇博文里惟一与量子热学相关的知识：姿态为“横”的量子经过“x”形接收器时，有可能会改变自己的姿态，弄成能通过接收器的姿态，也就是姿态为“横”的量子经过“x”形接收器时，姿态可能变为“撇”，也可能变为“捺”，这么传达的信息有可能还是发送者想传达的0，但也可能弄成了相反的1。
错误地使用“+”形接收器接收“撇捺”组量子信使同理，信息接收者难以区分起初信息的发送者想传递的到底是0还是1。
BB84合同
有了前面的铺垫，我们可以开始了解BB84合同的具体内容。容我重复一次，BB84合同要求通讯双方有两条信道：一条量子信道，一条传统信道。
按密码学传统，我们把信息发送者称作Alice，信息接收者称作Bob。如今她们要用BB84合同，为她们的通讯确定一个秘钥。
在量子信道上的通信似乎就结束了，接出来的步骤4-7都是在传统通讯信道上进行的。我们觉得传统信道意味着功击者可能监听并更改信道中会话内容。
第五步，Alice收到Bob的检测方式后，对比自己的发送量子信使的情况，告诉Bob他在什么位上偶然用了正确的接收器。我们把正确检测的位的集合称为C，Alice把C发送给Bob。
第六步，Bob收到Alice的信息，晓得了自己什么位的检测方法是正确的，即晓得了集合C。他在自己检测正确的这些位中，随机选购出一部份位，把检测到的结果发送给Alice。我们把Bob从C中挑出的那一部份叫集合D。
第七步，Alice收到信息后核实自己在6、17、45位上发送的信息是不是如Bob所说的1、1、0。若果是，这么Alice发送信息给Bob示意没问题，这么双方会在Bob一开始检测正确的位（集合C）中，剔除第六步Bob发回给Alice的这些位（集合D），剩下的位（集合CD）作为双方通讯的秘钥。
为何这样做能避免通信被监听
在传统信道上的监听
根据密码学传统，我们称监听者为Eve。假如Eve在传统信道上监听量子通讯的原理，她会在上述第四步看到Bob的检测方法，并且Bob没有发送检测结果。Eve就会看到Bob一部份正确检测位以及测出的结果（上述第六步中，Eve会看到集合D以及对应的检测值），并且最后Alice与Bob选择通讯秘钥时会完全遗弃集合D，即完全遗弃在传统信道交流过的这些位。到最后，Eve只晓得Alice与Bob使用了S的什么位用作通信秘钥，而且Eve不晓得这种位上的具体数值是多少。
在量子信道上的监听
Eve遇见里面的困难，心一横，决定去监听量子信道上Alice一开始传给Bob的二补码串S。并且首先Eve就碰到一个问题：她不晓得该选用哪些接收器序列来接收量子信使（连Bob都不晓得）。
Eve又心一横，用了一组随机的量子接收器序列接收量子信使。这样一来Eve必然使用了好多不合适的接收器，这样也就引起了一些量子信使的状态被改变，这种改变会在Alice-Bob后续的交流中被察觉。
比如，S在某一位上的值是1，Alice用竖姿态量子信使发送了这一位信息，并且Eve错用“x”形接收器接收这一位信息，这样此量子可能弄成了撇量子（或捺量子），但Bob在这一位上刚好猜对了，他用“+”形接收器接收经过Eve监听过的量子信使（撇或捺量子信使），结果量子信使弄成了横姿态量子信使（其实也有接收成竖姿态量子，信息偶然正确地被传递了，这时这一位不会导致Alice-Bob的注意），原先是1的值Bob用合适的接收器接收却得到了0。
之后在上述合同的第六步，文集合C的时侯，假如Bob刚好把这一位选中发给了Alice，这么Alice都会发觉Bob在这一位上明明使用了正确的接收器却没有得到正确的值。
这些情况出现频度超过某个阀值，Alice都会察觉有人在监听量子信道。
所以虽然BB84合同只能保证通信被监听的时侯，通信双方能及时发觉，然后要么切换信道量子通讯的原理，要么中止通讯。