世界互聯(lián)網(wǎng)大會(huì)正在烏鎮(zhèn)辦得如火如荼，《北京日?qǐng)?bào)》的一篇報(bào)道稱北京有望明年用上量子通信網(wǎng)寻咒，稱量子通信技術(shù)“可以保證無(wú)條件安全的信息安全和溝通”评甜，換句話說(shuō)，“無(wú)條件安全”指的就是“絕對(duì)安全”仔涩。
不過(guò)可惜的是忍坷，這篇報(bào)道寫(xiě)得非常混亂熔脂，標(biāo)題說(shuō)的是量子通信佩研，里面一大半?yún)s在說(shuō)量子計(jì)算機(jī)，而且很多地方說(shuō)得驢唇不對(duì)馬嘴霞揉。量子通信和量子計(jì)算機(jī)盡管都是建立在量子物理的基礎(chǔ)上旬薯，但它們其實(shí)是完全不同的兩種技術(shù)，就像同一片土里長(zhǎng)出的土豆和玉米一樣适秩，硬要放在一起說(shuō)簡(jiǎn)直是添亂绊序。那么量子通信到底是怎么一回事？所謂“絕對(duì)安全”到底是真的還是吹的呢秽荞？
有沒(méi)有絕對(duì)安全的密碼骤公？
聽(tīng)到“絕對(duì)”兩個(gè)字，大部分人都會(huì)覺(jué)得不靠譜扬跋，世界上哪有什么絕對(duì)的事呢阶捆？答案恐怕出乎意料，絕對(duì)安全（即無(wú)條件安全）的密碼是存在的钦听，而且是早在100多年前就已經(jīng)存在的洒试，這種密碼叫做“一次性密碼本”（one-time pad，簡(jiǎn)稱OTP）朴上。
OTP為什么這么神奇垒棋？其實(shí)OTP的原理非常簡(jiǎn)單，首先我們將要加密的明文編碼成二進(jìn)制序列痪宰，然后我們生成一串和明文長(zhǎng)度一樣的完全隨機(jī)二進(jìn)制序列作為密鑰叼架，將明文和密鑰做異或（XOR）運(yùn)算就得到了密文，而接收者用密文和密鑰再做一次異或運(yùn)算就能夠還原出明文酵镜。
就這么簡(jiǎn)單碉碉？對(duì)柴钻，就這么簡(jiǎn)單淮韭。開(kāi)玩笑，這種東西會(huì)是絕對(duì)安全的贴届？沒(méi)錯(cuò)靠粪，絕對(duì)蜡吧。因?yàn)槊荑€是完全隨機(jī)的，而且和明文長(zhǎng)度一樣占键，這就意味著密鑰空間和明文空間的大小是相等的昔善。換句話說(shuō)，如果攻擊者用窮舉法窮舉了所有可能的密鑰畔乙，就相當(dāng)于窮舉了所有可能的明文君仆，而攻擊者無(wú)法從所有的可能性中判斷出哪一個(gè)才是發(fā)送者所要發(fā)送的明文，因此窮舉對(duì)于OTP來(lái)說(shuō)是毫無(wú)意義的牲距。
上面的解釋有點(diǎn)繞返咱？我們舉個(gè)例子。假設(shè)發(fā)送者要加密的明文是12345牍鞠，攻擊者在不知道密鑰的情況下進(jìn)行窮舉咖摹，那么他會(huì)得到5個(gè)字符的所有排列組合，比如54321难述、12345萤晴、88888、ABCDE胁后、*&#^!……既然所有的可能性都會(huì)出現(xiàn)店读，那么如何判斷哪一個(gè)才是真正的明文？不可能攀芯。
事實(shí)上两入，OTP的絕對(duì)安全性已經(jīng)由信息論之父克勞德·香農(nóng)于1941年在數(shù)學(xué)上進(jìn)行了完美而嚴(yán)格的證明，不存在任何可能性能夠在不知道密鑰的情況下破解OTP敲才。那么問(wèn)題來(lái)了裹纳，為什么在100年之后的今天，我們還沒(méi)有用上OTP呢紧武？這是因?yàn)镺TP在現(xiàn)有的技術(shù)條件下剃氧，幾乎完全沒(méi)有實(shí)用價(jià)值。
OTP的絕對(duì)安全性需要幾個(gè)條件：1) 密鑰必須是完全隨機(jī)的（不可預(yù)測(cè)阻星、不可復(fù)現(xiàn)）朋鞍；2) 密鑰必須與明文等長(zhǎng)；3) 密鑰只能使用一次妥箕。上面這三個(gè)條件實(shí)際上在現(xiàn)實(shí)中幾乎做不到滥酥，因?yàn)槊荑€和明文等長(zhǎng)，而且只能使用一次畦幢，如果我有辦法把這么長(zhǎng)的密鑰安全地發(fā)送給對(duì)方坎吻，那么我為什么不干脆直接把明文發(fā)送給對(duì)方呢？OTP不是脫褲子放屁嗎宇葱？正是因?yàn)檫@樣瘦真，一直以來(lái)OTP僅在一些不計(jì)成本的非常高級(jí)別的通信中才會(huì)用到刊头，比如說(shuō)事先編寫(xiě)一部特別特別長(zhǎng)的密碼本，派特工直接交到對(duì)方手里诸尽，然后雙方在以后的通信中就可以用OTP了原杂，當(dāng)然了，由于OTP的密鑰是一次性的您机，因此密碼本全部用完之后就得再送一本新的……
量子通信：OTP的第二春
等等穿肄，我們不是講量子通信嗎，怎么扯了半天OTP际看？之所以要講OTP被碗，是因?yàn)榱孔油ㄐ艑?shí)際上就是基于OTP的，只不過(guò)因?yàn)榱孔油ㄐ潘?dú)有的一些特點(diǎn)仿村，讓OTP這個(gè)脫褲子放屁的玩意兒真正有了實(shí)用價(jià)值锐朴。
好了，現(xiàn)在我們講什么是量子通信蔼囊。量子力學(xué)的很多理論聽(tīng)起來(lái)都特別不可思議焚志，所以我們不講太細(xì)，我們先記住一個(gè)重要的原理：某個(gè)光子的狀態(tài)是無(wú)法準(zhǔn)確測(cè)量的畏鼓，因?yàn)闇y(cè)量這個(gè)行為本身就會(huì)改變它的狀態(tài)（海森堡不確定性原理）酱酬。量子通信就是利用了這一原理，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)云矫，發(fā)送方在量子信道生成并發(fā)送一串狀態(tài)隨機(jī)的量子比特（偏振方向不同的光子）膳沽，接收方則用隨機(jī)的測(cè)量基準(zhǔn)對(duì)這些量子比特進(jìn)行測(cè)量。當(dāng)然让禀，由于不確定性原理的存在挑社，接收方是無(wú)法準(zhǔn)確測(cè)量每一個(gè)量子比特的，其中一半是測(cè)錯(cuò)了的巡揍，但雙方可以通過(guò)某種特定的協(xié)議痛阻，利用普通信道（不需要加密）對(duì)測(cè)量基準(zhǔn)進(jìn)行對(duì)比，然后各自丟棄測(cè)錯(cuò)了的那一半腮敌，剩下的量子比特都是被正確測(cè)量的阱当，把正確的量子比特連起來(lái)，就形成了一串雙方內(nèi)容一樣的二進(jìn)制序列糜工，這就相當(dāng)于雙方“協(xié)商”出了一串完全隨機(jī)的二進(jìn)制序列弊添。如果有人在量子信道對(duì)這一過(guò)程進(jìn)行竊聽(tīng)，那么竊聽(tīng)者也必須對(duì)信道中的量子比特進(jìn)行測(cè)量捌木，由于不確定性原理的存在油坝，竊聽(tīng)者同樣無(wú)法準(zhǔn)確測(cè)量出所有比特的狀態(tài)，而且測(cè)量行為本身還會(huì)改變其中一半比特的狀態(tài)，通信雙方在進(jìn)行測(cè)量基準(zhǔn)對(duì)比的階段就會(huì)發(fā)現(xiàn)這些改變并丟棄被干擾的比特免钻，因此竊聽(tīng)行為本身就是無(wú)效的。
如果上面這一段沒(méi)看懂崔拥，我實(shí)在想不出更好的方法來(lái)解釋极舔，因?yàn)榱孔恿W(xué)本身就不太符合我們的常識(shí)。這樣吧链瓦，我們暫且記住這樣一條結(jié)論：量子通信的核心是“量子密鑰分發(fā)”拆魏，即雙方可以安全地“協(xié)商”出一串內(nèi)容相同且完全隨機(jī)的二進(jìn)制序列，第三方無(wú)法竊聽(tīng)慈俯。這里我們需要注意一點(diǎn)渤刃，量子密鑰分發(fā)只能用來(lái)“協(xié)商”出一串內(nèi)容相同的二進(jìn)制序列（雙方事先都無(wú)法確定最終協(xié)商出來(lái)的序列的準(zhǔn)確內(nèi)容），而并不能用來(lái)傳送信息本身贴膘，因?yàn)楦鶕?jù)不確定性原理卖子，傳送的量子比特中一半都是要被丟棄的。
有了一串完全隨機(jī)的二進(jìn)制序列刑峡，我們可以做什么洋闽？沒(méi)錯(cuò)，我們就可以用OTP了呀突梦！因此完整的量子通信實(shí)際上是這樣工作的：1) 雙方通過(guò)量子密鑰分發(fā)協(xié)議協(xié)商出一串隨機(jī)密鑰诫舅；2) 發(fā)送方用協(xié)商的密鑰對(duì)明文進(jìn)行OTP加密；3) 發(fā)送方通過(guò)普通信道（如因特網(wǎng)）將密文發(fā)送給接收方宫患；4) 接收方用協(xié)商的密鑰進(jìn)行解密刊懈。這樣一來(lái)，我們就完成了一次基于量子密鑰的OTP通信娃闲。
香農(nóng)大神說(shuō)虚汛，只要你有辦法安全協(xié)商密鑰，OTP就是絕對(duì)安全的皇帮；海森堡大神說(shuō)泽疆，利用量子力學(xué)的不確定性原理就能安全協(xié)商密鑰。把這兩個(gè)特性加起來(lái)玲献，量子通信就是“絕對(duì)安全”的殉疼，貨真價(jià)實(shí)，一點(diǎn)都不夸張捌年，除非量子力學(xué)從頭到尾就是錯(cuò)的瓢娜。因此，量子密碼很有可能就是密碼學(xué)的終極形態(tài)礼预，如果量子通信能夠真正進(jìn)入實(shí)用領(lǐng)域眠砾，那必將是一個(gè)歷史性的時(shí)刻。
