19、量子通信与搜索算法：原理、应用与实践

量子通信与搜索算法：原理、应用与实践

1. 量子密码学中的BB84机制

在量子密码学里，BB84机制是一种重要的密钥分发方法。每次新的传输都会使用新的密钥，同一密钥不会被再次使用。在传统的BB84机制中，发送者和接收者会依次对每个量子比特进行操作。而使用纠缠量子比特时，发送者操作一个纠缠量子比特，接收者操作另一个。这样一来，如果有纠缠量子比特被非法拦截，发送者能立即知晓并停止通信。

有多个实验证明了BB84机制的可行性和安全性：
- 2002 - 2007年，DARPA量子网络作为世界首个量子密钥分发（QKD）实验，使用“偏振纠缠光子对”，在马萨诸塞州剑桥和波士顿地区连续运行了三年，最多时连接了十个站点，其生成的密钥还被用于标准互联网安全协议。
- 2006年，美国洛斯阿拉莫斯国家实验室（LANL）与国家标准与技术研究院（NIST）利用严重受限的脉冲激光束产生模拟单个量子比特的光子，证明了QKD能在长距离上有效工作，这些距离与当今光纤网络的跨度相当。
- 2008年，来自欧盟、瑞士和俄罗斯的41个研究和工业组织在维也纳周边的八个站点测试了一个QKD网络，该系统使用了包括纠缠光子在内的多种系统，证明了它们可以成功互连。

量子密码学利用量子力学的确定性和固有概率性来保障双方通信的安全。连接H门的方式为双方锁定密钥提供了可靠机制。同时，如果量子比特在传输过程中落入他人之手，量子比特随机坍缩的特性使得拦截者几乎无法获取有价值的信息。虽然目前还不能像开发其他应用那样构建和部署量子密码算法，但相关原理在商用硬件普及后仍将适用。

下面通过几个例子来深入理解BB84机制：
- 例1 ：Alice要给