BB84 协议

BB84 是历史上第一个被提出的量子密钥分发（QKD）协议：它让两个人（按惯例称为 Alice 和 Bob）就一串随机的秘密比特达成一致，同时还能察觉是否有人在偷听。它的巧妙之处不在于秘密地传送某条消息，而在于让你能够建立一把共享密钥，并在事后检查信道是否干净。设想 Alice 每次只发送一个光子，对每个光子她都私下抛两次硬币：一次决定这一位是 0 还是 1，另一次决定她用两种“朝向”中的哪一种来编码它。Bob 读不到她的心思，所以他在测量每个光子时也随机挑一个朝向。

所有光子发送完之后，Alice 和 Bob 通过一条普通的公开线路交谈，只比较彼此选了哪些朝向，绝不透露具体的比特值。凡是两人碰巧选了相同朝向的那些光子，Bob 的读数就是可靠的，他们留下这些比特；其余的全部丢弃。这里正是物理学发挥作用的地方：由于不可克隆定理，窃听者无法复制一个未知光子以便日后查看，而任何用错误朝向去测量它的尝试都会扰动它。于是窃听者也只能去猜朝向，而她的猜测会引入错误。Alice 和 Bob 牺牲所留比特中的一小部分作为样本、检查其错误率，就能发现这种篡改。如果信道看上去干净，剩下的比特就成为一把共享的秘密密钥；如果不干净，他们就把一切丢弃，重新再来。

把 BB84 承诺什么、不承诺什么讲清楚会很有帮助。它不是一台更快的计算机，也跟 Shor 算法或破解 RSA 毫无关系。它是一种密钥交换方法，其安全性建立在物理定律之上，而不是建立在某个困难的数学问题之上——这正是它区别于后量子密码学（为抵御量子攻击而设计的经典算法）之处。在实践中，BB84 需要一条真正的量子信道，比如光纤或自由空间光学链路；真实硬件并不完美、传输距离也有限；而且它只保护密钥分发这一步，并不保护你的整个通信系统。