量子世界：什么东西都是概念性的，都可以叫经典世界

研究量子密码学的学科称为量子密码学，是密码学的一个重要分支。它实际上是古代密码学一次性密码学概念与量子物理学相结合的新产物。

1 量子物理学

量子世界的理论无法解释。你问为什么，没人能回答你。现在科学家只是通过发现量子物理学的一些性质来应用量子物理学，而不能证明或解释量子世界的理论。

量子世界中最著名的薛定谔猫大家都不陌生。猫的生死完全取决于观察者。在量子世界中，在打开盒子之前，猫有两种可能。这时候属于叠加状态，是生是死，但开箱后，猫的生死就决定了。同时，结果可能会因打开盒子的人而异。这是量子世界的一个很好的例证：一切都是概念性的，它是概率性的，并且每一种可能性都被尝试过。而我们所生活的宏观世界也可以称为经典世界，这里的一切都是确定性的，与量子世界完全不同。

简述量子物理学的基本特征，如下：

1）测量可折叠性：

除非量子态本身是测量算子的本征态，否则测量量子态会导致“波包坍缩”，即测量会改变原始量子态。

2）不确定性：

不能同时准确测量两个不可交换的物理量。

3）不可克隆性：

未知量子态的精确复制是不可能的。

4）单个光子不能进一步划分：

没有半光子

应用最广泛的量子力学是光子力学。光子具有波粒二象性：也就是说，光子既具有粒子的特性，又具有像声波一样的波的特性。当时间是瞬时值时，光子以粒子的形式传播；当时间是一个连续值时，光子以波的形式传播。光子在传导过程中沿一定的方向振荡，上、下、左、右，而且大部分都按照一定的角度进行振荡。正常的太阳光是非偏振的，光子在各个方向振荡。当大量光子在同一个方向上振荡时，它们就会发生偏振，而偏振滤光片只允许同方向偏振的光子通过，其余方向的光子则不能通过。光子的极化有两个基础，一种是由水平和垂直线组成的底，称为线偏振光子，另一种是由左右对角线组成的底，称为圆偏振光子。如果一个光子脉冲在给定的基准上被极化后发送，并且接收器在同一组基准上对其进行测量，则可以得到极化光度。相反，如果接收方使用了错误的碱基，则会得到随机结果。所以光子的状态完全由观察者的测量装置决定。你永远不知道它在测量之前处于什么状态。我们称这种状态为量子纠缠态。与接收机在同一组基础上对其进行测量，即可得到偏振光度。相反，如果接收方使用了错误的碱基，则会得到随机结果。所以光子的状态完全由观察者的测量装置决定。你永远不知道它在测量之前处于什么状态。我们称这种状态为量子纠缠态。与接收机在同一组基础上对其进行测量，即可得到偏振光度。相反，如果接收方使用了错误的碱基，则会得到随机结果。所以光子的状态完全由观察者的测量装置决定。你永远不知道它在测量之前处于什么状态。我们称这种状态为量子纠缠态。

1.6.2 量子密码学

曾经讲过一次性密本的概念，它具有无条件的安全性，但是一次性密本的传输是最困难的，成本极高，不能真正意义上的使用。然而，随着量子物理学的研究，终于找到了解决一次性密码本致命问题的方法，利用量子力学来传输码本。利用信息载体（如光子等粒子）的量子特性，将量子态描述为符号的密码学称为量子密码学。

量子密码学的发展已有30多年的历史。1960年代，美国人威斯纳以量子钞票的形式提出了量子密码学的原始概念，并在官方出版物中提出了共轭编码和概率信息传输等更重要的概念，称为量子密码学。学习的原始胚芽。但这个想法当时并不能被接受。直到 1984 年，IBM 的 Bennett 和加拿大的 Brasard 提出了量子密钥分发的新概念，以及量子密码分发协议——BB84 协议，标志着量子密码学的开始。有趣的是，贝内特是威斯纳的大学同学。

量子密码学体系包括量子保密、量子认证、量子安全协议、量子密码学等研究方向。

量子密码学是基于量子物理学的特性，将信息隐藏在光子中，并利用量子力学随机生成密钥并将其传输给接收者。密钥的形式是以量子比特传输的，载体是光子。量子比特：利用量子叠加原理，0和1的叠加构成一个量子态，称为量子比特。

一个说明量子密码学如何工作的例子：Alice 是信息的发送者，Bob 是信息的接收者，它们都有用于光子的圆形和线性偏振探测器。

1）Alice 将四个光子 1、2、3 和 4 发送给 Bob。爱丽丝在发送之前测量了四个光子量子密码学的基础是，但爱丽丝在测量之前不会知道结果是什么。1和2使用圆极化；3和4使用线性偏振。实测结果为1：左对角线状态；2是右对角线状态；3为水平状态；4是垂直状态。

2）Bob 收到 Alice 测量的四个光子后，不知道 Alice 是如何依次测量光子的，所以他随机使用测量设备测量光子。他的测量顺序是1圆极化；2为线偏振；3是圆极化；4是线偏振。实测结果为1：左对角线状态；2为水平状态；3是右对角状态；4是垂直状态。

3）Bob 将测量顺序和结果通知 Alice，通道打开。

4）Alice 进行比较并告诉 Bob 哪些测量是正确的，测量仪器是正确的。例如，接收到的1个光子处于左对角状态，那么通过圆偏振测量，只能得到左对角状态。

5）双方保留与测量结果相同的值。指定左对角线状态和水平状态用1表示，右对角线状态和垂直状态用0表示。所以他们得到的位序列是10

6）10 是他们的加密密钥

通过例子可以看出，量子密码学属于对称密码学，双方共享一个密钥。

1.6.3 量子密码学的安全性

量子密码学的安全性不再像其他密码学分支那样通过解决数学问题来解决，而是由量子力学的物理特性来保证。

继续上面的例子，入侵者偷走了第四个光子并对其进行了测量。他测量后可能有同样的结果，即4个光子的状态没有改变。此时 Bob 接收到的 4 个光子没有问题，测量结果是正确的。在这种情况下，Alice 和 Bob 不知道窃听者。但是窃听者测量后，光子的状态发生了变化，那么Bob收到的光子就不是Alice发送的状态，测量结果肯定是错误的。这样，当 Alice 和 Bob 比较时，他们也找到了入侵者量子密码学的基础是，然后开始了新的光子传输。所以如果传输了多个光子，窃听者测量到多个光子后，根据概率事件，Alice 和 Bob 肯定会找到。而量子无法复制，所以光子在传输过程中不会被攻击者克隆。所以量子密码学是非常安全的。

实际上，不仅测量会改变光子的偏振方向，一个小的扰动也会改变光子的偏振方向。即使在产生光子时偏振角偏离了 1 度，这些误差也会累积。物理学家目前只能在 200 公里范围内传输量子密钥。即使是强光也会破坏量子探测器。互联网基础设施。

1.6.4 量子密码学的发展

量子技术的发展是对当前密码系统的巨大挑战。如果量子技术取得更大的突破，当前的整个密码系统将会崩溃。以当前的计算能力解决许多数学问题需要数万年的时间，但使用量子技术可能需要几个小时或更短的时间。因此，所有量子密码学的国家都在努力。

目前，量子密码学的应用已经很多，但大多是在政府和军队层面，民用应用并不多。但是，在不久的将来，量子密码学肯定会取代现有的密码学系统。