到此,接收者就接到了四个光子。但此时,他并不知道最开始发送的光子是什么状态,因为一旦自己选的滤光片和发送者的选择不一样,光子的偏振状态就会改变。
所以,接收者此时就必须给发送者进行联络,把自己收到的光子偏振情况告诉发送方。发送方也并不需要说太多,只需要告诉接收方第几个偏振方向和自己的滤光片顺序一致即可,对双方一致的光子偏振进行编码,即可得到一组共享的密钥。
需要注意的是,这个过程是通过经典通信渠道进行的。在这个过程中,交换的信息只有“第X个是一致的”这样毫无营养的内容,即便泄密也并无影响。
根据BB84协议,竖直和左倾的偏振将被记为0,而水平和右倾的偏振将被记为1。于是,根据之前的操作,最后因为只有1号(竖直)和4号光子(右倾)是一致的,所以最终记为01。
这个“01”就是双方都掌握的密钥。对发送方来说,自己发射的光子长啥样自己是清楚的,所以他自然知道密钥;对于接收方来说,因为和发送方沟通过,也知道密钥是什么。
在量子世界里,只要测量就会改变量子本来的面貌且无法复制量子,所以最终接收者接到的光子必然会和发送的大不相同:发射过来的竖直偏振量子,在被窃听之后变成了左偏振,接收者和发送者只要核对一下就知道出问题了。
就算窃听者碰巧用了和发送者一模一样的滤光片,得到了光子的最初状态。呵呵,现实中一个脉冲里就有千千万万个光子,难道每一个光子的状态都能蒙对不成?
与其琢磨发送者安排滤光片的顺序,窃听者不如直接上门把发送者绑过来严刑拷打。
这种从理论上就落实的绝对安全,就是量子通信的底气所在。
可以说,量子密钥分发技术,相当于是给传统的经典通信渠道加了一把无法破译的量子密码锁。
基于纠缠的量子密钥分发
BB84协议所设计的量子密钥分发方案尽管有了安全保证,但因为目前的技术还不成熟,实际使用的情况下仍然存在许多问题。其中一个问题就是距离太短:由于每次通信时候的光子是一颗颗发送的,在长距离通信的过程中不可避免地出现损耗,因而目前只能实现20km范围内的通信。如果想增加距离,就必须修建大量的中继站,但中继站被劫持又成了新的安全威胁。
20km,说难听点,够干啥?
于是,第二种技术路线出场的时候到了。
在第二种技术路线中,通信双方并不需要发送和接收光子就可以实现量子通信,这对于窃听者来说就极其不友好了,他甚至连插手的空间都没有。
这种技术路线就是基于“量子纠缠”的密钥分发。
“量子纠缠”是一种现象,指的是:在量子力学里,当几个粒子在彼此相互作用后,由于各个粒子所拥有的特性已综合成为整体性质,无法单独描述各个粒子的性质,只能描述整体系统的性质,则称这现象为量子缠结或量子纠缠(quantum entanglement)。 量子纠缠是一种纯粹发生于量子系统的现象;在经典力学里,找不到类似的现象。