13、量子密钥分发：BB84协议全解析

量子密钥分发：BB84协议全解析

1. 量子密钥分发基础

量子密钥分发旨在为通信双方提供安全的密钥，确保信息传输的保密性。在合适的情况下，我们可以证明窃听者Eve与Alice和Bob持有的量子态是分离的，进而与他们测量后得到的经典 - 经典 - 量子（ccq）态也是分离的。通过选择特定的信号态和测量方式，使得所有可能的密钥等概率出现，就能够实现完美的秘密密钥分发。

2. BB84协议详解

2.1 协议资源

• 量子比特信号态 ：使用量子比特作为信号态，可将其看作单光子的偏振态，但我们更关注信号态和测量的抽象量子力学结构。
• 双信道 ：
  • 量子信道 ：用于传输量子比特，受敌手控制，我们不依赖其特定属性。
  • 经典信道 ：假设Eve可以监听该信道上的通信，但不能更改消息内容，可通过消息认证实现，这种信道被称为认证公共信道。

2.2 理想的BB84协议

BB84协议分为两个阶段：
- 量子阶段 ：
1. 信号准备 ：Alice从四个信号态中随机选择信号，这四个信号态分别是水平 - 垂直基的基态 ( | ≡⟩ ) 和 ( | ∇⟩ ) ，以及对角基的基态 ( | ∼⟩ ) 和 ( | ≈⟩ ) 。
2. 传输