BB84协议：量子加密新突破！
BB84协议：量子加密新突破！
2024年11月，南京大学等机构在量子通信领域取得重大突破：首次基于无人机实现了量子密钥分发（QKD），这是BB84协议在移动量子网络中的重要应用。这一进展不仅展示了BB84协议的灵活性，也为未来构建移动量子通信网络奠定了基础。
BB84协议：量子加密的开山之作
1984年，Charles H. Bennett和Gilles Brassard提出了BB84协议，这是首个量子密钥分发方案，也是量子密码学的开端。BB84协议利用量子力学的特性，实现了理论上无条件安全的密钥分发。
BB84协议的安全性基于三个量子力学原理：
不确定性原理：无法同时精确测量一个量子系统的所有属性。任何窃听行为都会改变量子态，从而被合法用户察觉。
测量塌缩原理：量子系统被测量时会立即塌缩到一个确定的值。这防止了窃听者通过测量获取信息的可能性。
不可克隆原理：未知的量子态无法被精确复制。这意味着窃听者即使截获了量子信息，也无法复制出完全相同的量子态。
BB84协议的工作原理
BB84协议最初使用光子的偏振态进行编码。发送方（Alice）随机选择两个正交基（例如水平/垂直偏振和+45°/-45°偏振）来发送比特信息，接收方（Bob）也随机选择一个基来进行测量。如果Bob选择了正确的基，他就能正确读取信息；否则，他得到的结果是随机的。通过公开信道比较基的选择，Alice和Bob可以筛选出一致的部分，形成安全的密钥。
然而，在实际应用中，偏振编码会受到偏振模色散的影响，导致光子偏振态的变化。因此，相位编码的BB84协议得到了更广泛的应用。
相位编码BB84协议
相位编码BB84协议通常使用马赫-曾德尔干涉仪（MZI）实现。发送端（Alice）通过激光二极管发出的光子，经过定向耦合器分成两个支路，通过相位调制器A（PMA）和相位调制器B（PMB）进行相位调制，最后在接收端（Bob）的定向耦合器进行合路，产生干涉效应。
具体过程如下：
- Alice发送0时，随机选择0和π/2对A支路进行相位调制。
- Alice发送1时，随机选择π或3π/2对A支路进行相位调制。
- Bob随机选择0和π/2对B支路进行相位调制。
通过比较相位差，Alice和Bob可以协商出一致的密钥。这种方案避免了偏振模色散的影响，更适合实际应用。
最新突破：基于无人机的量子密钥分发
2024年11月，南京大学、Xin Lian Technology公司和中国科学技术大学的研究团队在《Physical Review Letters》上发表论文，首次实现了基于无人机的BB84协议量子密钥分发。
实验中，研究团队开发了一套紧凑高效的无人机QKD系统，使用850nm波长的激光二极管作为量子信号源，通过偏振编码实现量子密钥分发。无人机携带的QKD系统重量仅为1.5kg，尺寸为179×179×60mm³。
在200米的距离内，系统实现了8.48kHz的平均密钥速率。实验在不同天气条件下进行，包括夜间和白天，展示了系统的稳定性和可靠性。这一突破为未来构建移动量子通信网络提供了新的可能性。
应用前景与挑战
BB84协议在金融、政务、医疗等领域的安全通信中展现出巨大潜力。随着技术的进步，BB84协议正从实验室走向实际应用，如光纤网络和卫星通信。然而，要实现大规模商用，仍需解决成本、设备小型化和稳定性等挑战。
南京大学等机构的最新研究展示了BB84协议在移动量子网络中的应用前景。通过无人机实现量子密钥分发，不仅扩展了量子通信的应用场景，也为未来物联网、自动驾驶等领域的安全通信提供了新的解决方案。