# 量子密钥分发原理

用一个个光子演示 BB84 量子密钥分发：两套偏振规则、公开比对、偷听者留下的错误

By bright\-heron\-52d8caa1

Topic: Physics & Chemistry

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## Transcript

### 1. 用光传一把钥匙

左边是爱丽丝，右边是鲍勃。他们想拥有一串只有两人知道的数字，叫作“密钥”，用来给消息上锁。量子密钥分发的办法是：用一个一个的光子来传这串数字。拖动画面可以转着看。

光子是光最小的一份，一束光里有数不清的光子。

### 2. 光子的“方向”

每个光子都在朝一个方向振动，这叫偏振。这里有四种方向：横、竖，还有两种斜着的。光子的颜色代表它带着的数字：蓝色是 0，橙色是 1。

偏振太阳镜就是靠挡住某个方向振动的光来减少反光。

### 3. 两套规则

爱丽丝有两套规则，叫作“基”。十字基：横是 0，竖是 1。叉形基：一种斜是 0，另一种斜是 1。每发一个光子，她都随手挑一套规则，不告诉任何人。

这个方法叫 BB84，由贝内特和布拉萨德在 1984 年提出。

### 4. 鲍勃猜着测量

鲍勃也不知道该用哪套规则，只能每次随机猜一个来测量。猜对了，他读到的数字和爱丽丝的一样。猜错了，结果就像抛硬币，0 和 1 各占一半。按下按钮，发送 8 个光子。

上排是爱丽丝发的，下排是鲍勃测到的；小十字和小叉表示用了哪套规则。

### 5. 公开对规则

接着，两人通过普通线路公开说出每次用的规则，但绝不说数字本身。规则不同的位置全部丢掉，规则相同的留下。平均大约一半的光子能留下来。

上方那根线就是公开线路，谁都能听见，但只听到规则没有用。

### 6. 偷听者伊芙

假如伊芙在中间偷偷拦下光子，她也得猜规则去测量，然后再发一个新光子给鲍勃。她猜错时，新光子的方向就变了，鲍勃那里会出现错误。按下按钮，看看伊芙偷听会发生什么。

量子力学不允许把一个未知的光子完美复制，所以伊芙没法偷偷留一份。

### 7. 抽查，抓住伊芙

两人从留下的数字里公开抽一部分来比对。没人偷听时，这些数字应该几乎一样。伊芙每次都偷听的话，大约四分之一会出错，红色就是被抓到的错误。错误太多，他们就扔掉这批，重新再来。

只比对 20 位，伊芙逃过检查的机会只有大约千分之三。

### 8. 由物理定律守护

错误足够少时，剩下没公开的数字就成了两人共同的密钥。它的安全不靠难算的数学题，而靠物理规律：测量会留下痕迹。消息之后再用这把钥匙加密，用普通方式发送。

2016 年发射的“墨子号”卫星，曾从约 1200 公里外的太空向地面站分发量子密钥。