27、量子密钥分发：从原理到实践

量子密钥分发：从原理到实践

1. 引言

在现代通信社会中，安全传输机密信息（如信用卡号码、密码）的需求十分广泛。传统的加密方法，如公钥密码系统，在理论上可能会被更快速的算法破解。而量子密钥分发（QKD）利用量子力学原理，为密钥分发提供了一种更安全的方式。本文将介绍量子密钥分发的主要原理、具体协议、安全性以及实际实现中的问题和实验进展。

2. 量子力学原理

量子力学的一些特性为安全的密钥分发提供了基础，主要包括以下几点：
- 非正交态无法完美区分 ：量子力学的两态系统通常处于线性叠加态，除非两个态正交，否则无法可靠地区分它们。例如，对于(\vert\psi_1\rangle = \alpha_1\vert 0 \rangle + \beta_1\vert 1 \rangle)和(\vert\psi_2\rangle = \alpha_2\vert 0 \rangle + \beta_2\vert 1 \rangle)，只有当((\psi_1\vert \psi_2) = 0)时才能可靠区分。
- 无克隆定理 ：由于量子力学的线性和幺正性，不可能创建未知量子态的完美副本。这意味着间谍无法在不干扰量子态的情况下复制它。
- 纠缠（量子关联） ：两个或多个量子系统可以相互关联或纠缠。例如，两个自旋 - 1/2 系统的单重态(\vert\Psi^-\rangle = \frac{1}{\sqrt{2}}(\vert 01 \rangle - \vert 10 \rangle))是最大纠缠态。对其中一个系统进行测量，另一个系统的状态会与之反相关。