量子通信黑科技：BB84协议揭秘

量子通信黑科技：BB84协议揭秘

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来源

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https://blog.csdn.net/weixin_41366507/article/details/136884585

2.

https://cloud.baidu.com/article/3423617

3.

https://blog.csdn.net/weixin_41366507/article/details/137397630

4.

https://blog.csdn.net/weixin_41366507/article/details/136824310

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https://www.sohu.com/a/817671367_120991886

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https://blog.csdn.net/weixin_41366507/article/details/138107822

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https://new.qq.com/rain/a/20241114A07X8L00

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https://developer.aliyun.com/article/1639063

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https://news.sjtu.edu.cn/jdzh/20240719/200449.html

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https://hub.baai.ac.cn/paper/945d1370-b559-441e-a885-86817be9f79a

量子通信被誉为未来最安全的通信方式之一，而BB84协议则是量子密钥分发（QKD）领域最著名的协议。它不仅能够防止信息被窃听，还能主动检测到任何窃听行为。让我们一起揭开量子通信的神秘面纱，探索未来信息安全的新纪元！

1984年，Charles Bennett和Gilles Brassard提出了BB84协议，这是量子密钥分发领域具有里程碑意义的突破。该协议通过量子态的制备和测量，实现了安全的密钥分发，为量子通信的发展奠定了基础。

工作原理：光子偏振态的巧妙运用

BB84协议的核心是利用光子的偏振态来编码信息。发送方（Alice）将密钥信息编码到光子的偏振态上，接收方（Bob）则通过测量这些光子来获取信息。具体步骤如下：

1. 量子态编码：Alice随机选择两种基矢（例如，直角坐标系和对角线坐标系）来编码光子。每个光子可以表示0或1，但只有当Bob使用相同的基矢进行测量时，才能得到准确的结果。

2. 基矢选择与测量：Bob同样随机选择基矢进行测量。双方通过传统信道公开交换各自使用的基矢信息，但不透露具体测量结果。只有当Alice和Bob选择相同的基矢时，测量结果才准确反映原始编码信息。

3. 密钥提取：双方保留使用相同基矢时的数据，丢弃不同基矢对应的结果，从而形成初步共享密钥。

4. 安全性验证：Alice和Bob从初步密钥中选取一部分进行公开比对，以检查是否存在窃听行为。如果比对结果一致，说明通信未被窃听；否则，密钥可能已泄露，需重新生成。

安全性：量子力学原理的完美应用

BB84协议的安全性源于量子力学的两个基本原理：

• 测不准原理：我们无法同时精确测量一个量子系统的所有属性。这意味着窃听者无法在不破坏量子态的情况下获取其全部信息。

• 不可克隆原理：任何未知的量子态都无法被精确复制。即使窃听者截获了单光子的量子信息，也无法复制出完全相同的量子态。

这种基于物理原理的安全性，使得BB84协议在理论上能够实现无条件安全的通信。

尽管BB84协议在理论上具有无可比拟的安全性，但在实际应用中仍面临一些挑战：

1. 传输距离限制：量子信号在光纤中传输时会随着距离的增加而衰减，目前的技术水平下，量子通信的有效距离通常在百公里左右。

2. 环境要求苛刻：量子加密通信需要在极低温度、高度稳定的环境下进行，这使得设备成本较高，且难以在复杂环境中应用。

3. 潜在威胁：虽然量子加密技术本身对量子计算具有免疫力，但量子计算的发展可能会对传统加密算法构成威胁，影响量子加密技术与现有加密体系的兼容性。

尽管如此，BB84协议已在多个领域展现出重要价值：

• 军事通信：为军事指挥、情报传输提供绝对安全的通信保障。

• 金融领域：确保银行转账、证券交易等交易信息的保密性和完整性。

• 政务通信：保护国家机密和政务信息的安全。

• 物联网与电力通信：为设备间通信和数据传输提供安全防护。

2024年7月，上海交通大学曾贵华团队在连续变量量子密钥分发（CVQKD）研究中取得重要进展。该团队提出了基于高带宽探测与信号采集的被动态制备连续变量量子密钥分发（PSP-CVQKD）方案，首次实现了接入网范围内Gbps量级安全成码验证。

这一突破性成果的意义在于：

1. 高速安全成码：通过消除低探测带宽引入的安全成码瓶颈，实现了等效调制频率达23GHz的高速CVQKD，将量子密钥分发安全密钥率提升到Gbps级别。

2. 简化系统结构：PSP-CVQKD方案无需量子真随机数发生器和幅度相位调制器，极大降低了系统复杂度和实现成本。

3. 噪声抑制：通过综合噪声抑制方法，将系统总体过噪声控制到平均0.047安全成码范围，为实现高速量子保密通信接入提供了新的简易化解决方案。

这一进展不仅验证了被动态制备连续变量量子密钥分发方案的高安全成码特性，更为量子通信技术的实用化和商业化开辟了新的路径。

随着技术的不断进步，量子通信正逐步从实验室走向实际应用。中国科学技术大学郭光灿院士团队已实现833公里光纤量子密钥分发，韩国也在建设基于量子密码通信技术的800公里国家网络。

量子通信技术的未来发展将聚焦于以下几个方向：

1. 延长传输距离：通过量子中继等技术突破百公里限制，实现更远距离的安全通信。

2. 降低成本：简化系统结构，降低设备成本，推动量子通信技术的普及。

3. 提高兼容性：加强与现有通信系统的集成，实现量子通信与传统通信的无缝对接。

4. 标准化建设：建立统一的技术标准，推动量子通信产业的规范化发展。

量子通信作为未来通信领域的重要发展方向，具有广阔的应用前景和巨大的市场潜力。随着技术的不断进步和应用的不断深化，我们有理由相信，量子通信将引领未来安全高质“量”发展。

通过深入了解量子通信的基本原理和量子密钥分发的实现过程，我们可以更好地把握这一领域的最新进展和未来趋势。同时，借助千帆大模型开发与服务平台等先进技术平台，我们可以更加高效地推动量子通信技术的商业化进程，为构建更加安全、高效的通信系统贡献力量。