通俗版量子保密通信（二）：窃听必留痕迹
撰文 | 王向斌 教授
在量子密钥分发中，我们用量子态（比如，单光子偏振）加载密码数据0或1.量子态传输过程中，任何窃听必然留下痕迹，这是量子态的基本属性：由于密钥数据加载在量子态中，若窃听者要窃听，想知道密钥，必须要观测量子态，这必然会对量子态产生扰动。对未知量子态的测量必会对量子态带来扰动。这点是由量子物理学基本原理所保证的，这是绝对的。既然是原理所保证的，这就与技术手段无关，没有任何技术能够违反这点。
仅这么说，你还是不知道到底怎么做。特别是：究竟是什么使得窃听（观测）一定带来扰动，而远程合法接受端的用户却能有效地观测量子态并获得密钥？
量子玫瑰。想象，把量子态的测量规则用到玫瑰花上，量子玫瑰，平时未被观测时烟雾缭绕一团。若对其观测，必遵守下列规则：
基础规则：以光照之可现其色彩，非红即白，永无例外；以风吹之可现其气味，非浓香即淡香，永无例外。
核心规则：观测色彩必扰乱气味，导致其气味完全不确定，观测气味必扰乱色彩，导致其色彩完全不确定。
据此法则，对于原本观测到是红色的玫瑰，我们简称红玫瑰，你观测其气味后，它未必还是红玫瑰，它可能是红也可能是白，各占五五波。这样，对于量子玫瑰，我们只能确定其色彩或气味中的一个，比如说，你可以制备出一束红玫瑰或白玫瑰，也可以制备出一束浓香型玫瑰或淡香型玫瑰，但是，上述核心规则令你永远无法制备出诸如“淡香型的白玫瑰”，那相当于要去画一个“正方形的圆”，从根上就不自洽。虽然，经典世界的确有“淡香型白玫瑰”，而这量子玫瑰却不同。它得毫无例外地遵从上段规则。若其色彩确知，其气味必然完全不确定，反之亦然。这与你的观测能力无关，这是量子玫瑰自身的属性，是大自然的基本法则。
用量子玫瑰花产生密钥。约定：红玫瑰代表1，白玫瑰代表0；浓香玫瑰代表1，淡香玫瑰代表0. 你向远处的他发送了一系列单束玫瑰，每个单束玫瑰，发送前，你已经（私密）随机地将其制备成红，白，浓，淡中的一种。（你记得每束是哪种。）他收到玫瑰后，你告诉他，对每一束玫瑰应观测色彩还是气味。（对应于你所制备的那些红玫瑰和白玫瑰，他应观测其色彩；对应于你所制备的那些浓香玫瑰和淡香玫瑰，他应观测其气味）。他按照你的指示去做，完成相应的观测后，也就同时获得密码了：每一束玫瑰对应一个数字，若他观测了色彩，红1白0；若他观测了气味，浓1淡0. 为确保安全，你和他抽取一部分数据比对，如果这些抽取的数据一摸一样，那么剩下未比对的数据就可以用来做安全密钥了 ！
为什么是安全的呢？因为窃听必留痕迹，即必然会导致你们比对的数据不完全一样。因为你的密码数据加载在玫瑰花上，窃听者要想知道你的密钥，就必须要观测你的玫瑰花。但是对于每一束玫瑰花，他不知道应该观其色彩还是气味。如果，对于你发出的某一束红玫瑰，她（窃听者）观测其气味，根据上述核心规则，观测气味后这玫瑰的色彩就完全不确定了。将来你的远端搭档他，再观测其色彩时有五成的可能性会发现是白色。可以想象，若窃听者对每一束量子玫瑰自行决定是观测其色彩还是观测其气味，那就意味着有一半的量子玫瑰受到了窃听者的扰动，这将使得你的搭档他，会得到大量的错误数据，也将会在你们随机抽取的数据比对中暴露无遗。
你可能会问，对每一束量子玫瑰，窃听者可以同时观测色彩和气味吗？不能！这是前面的核心规则决定了的，这相当于要求窃听者去画一个“正方形的圆”。你可能又问，窃听者能否将每一束量子玫瑰一分为二，自己留下半束，将另外半束发给你的搭档他，将来你指示搭档怎样观测每束玫瑰（色彩或气味），窃听者自己就按你的指示作相应的观测？窃听者无法这样做。爱因斯坦早就告诉了我们大自然的另一条基本法则：量子玫瑰的最小单位是一束，半束量子玫瑰永不存在。当然，在他那里，他给这量子玫瑰另外一个称呼：光子。
必须指出，在量子密钥分发中，这神秘的单束量子玫瑰就是单光子，我们利用它的偏振状态：两个直角偏振状态，竖的或横的各代表1或0；两个斜角偏振状态：135度的或45度的，各代表1或0.
窃听必然留下痕迹是单量子态的基本属性，这点是绝对的。但是，在实际量子通信中，我们并没有理想的单光子源，即我们没有办法保证每次发射都发了一个单束量子玫瑰。如果，某次发射你发出了两束一样的玫瑰，比如说都是红玫瑰，窃听者只要扣下一支便可以在将来测得该数值。进一步，冒充通道损耗，窃听者可阻止所有的单束玫瑰事件，而只放行多束玫瑰事件中的一束，她就能够不留痕迹地获取你的所有密码。下一篇文章中，我们将会介绍，即便使用非理想的实际光源，有时候会发偏振相同的多个光子，我们也有办法获得与理想的单光子源同等安全的密钥，这就是著名的诱骗态方法，它将实用化量子保密通信的研发推向了前所未有的高度。
未完待续……
王向斌教授 简介
清华大学物理系教授，博士生导师。中国密码学会高级会员，量子密码专业委员会委员，密码数学专业委员会委员。主要从事量子密码理论、实用化量子密码安全性分析、单量子态操控与量子通道理论、连续变量量子态理论以及量子纠缠理论等方面的研究。