量子密鑰分發(fā)（英語：quantum key distribution，簡稱QKD），是利用量子力學(xué)特性來保證通信安全性。它使通信的雙方能夠產(chǎn)生并分享一個隨機(jī)的、安全的密鑰，來加密和解密消息。

首先大家來看一段視頻，視頻中一副撲克牌分成上下兩疊，在“洗亂”之后，給Alice和Bob兩人輪流發(fā)牌，每次取一對相鄰的兩張牌，分別發(fā)給Alice和Bob各一張。仔細(xì)留意觀察一下，會發(fā)現(xiàn)“情況不正常”，每次的一對牌，總是相反的一紅一黑，雖然紅黑在誰手中不一定。但如果發(fā)給Alice的是紅色牌，發(fā)給Bob的就一定是黑色牌，反之亦然。視頻中只展示了五對牌，但如果把一整副牌都發(fā)完，也總會是“一紅一黑”配對的。

在這副特殊撲克牌的基礎(chǔ)上，自然可以開發(fā)出各種魔術(shù)戲法，比如Alice和Bob相當(dāng)于分別是魔術(shù)師和觀眾，魔術(shù)師每次取一對牌，讓觀眾任選一張，自己拿另一張，每次在看不到觀眾手中什么牌的情況下，根據(jù)另一張牌相反的顏色，總能猜對觀眾手中牌是紅色還是黑色。這種洗牌后還能“紅黑配對”的神奇撲克牌在什么地方能買到？文章末尾會告訴你。

正常來說，一副真正隨機(jī)無序的撲克牌，每次取出相鄰兩張牌的顏色，有四種可能：“紅紅”，“紅黑”，“黑黑”，“黑紅”，兩張牌的顏色是相互獨(dú)立的，沒有關(guān)聯(lián)的，從一張牌的顏色也無法判斷出另一張牌的顏色。可是剛剛那副牌將可能性減少到了兩種：“紅黑”和“黑紅”，兩張牌的顏色雖然在翻開前仍然是不確定的，但是相互關(guān)聯(lián)，相當(dāng)于“糾纏”或“捆綁”到了一起。

在信息加密中，我們常常需要通過一套復(fù)雜數(shù)學(xué)算法把原始明文轉(zhuǎn)換成雜亂無章的密文，而使用不同的密鑰加密后的結(jié)果是完全不一樣的，每個密鑰可以是一個1和0組成的二進(jìn)制隨機(jī)數(shù)字串，比如對于同樣的明文“I love you！”，密鑰是1010101010，密文會是gh*%jku&rl#；密鑰要是1100001101，密文就會是@jkm&opc*ad。“解鈴還須系鈴人”，反過來要從密文中恢復(fù)出明文“Ilove you！”，也需要對應(yīng)的正確密鑰，否則解密者將一無所知。所以整個過程中需要保證加密者和解密者手中擁有一致的密鑰，需要一個“密鑰分發(fā)”的過程。

其實(shí)上面的這副撲克牌就是一種密鑰分發(fā)的工具，如果把十對牌依次分發(fā)給Alice和Bob，每人十張，發(fā)的時候是背面朝上的，并不當(dāng)場翻開看，然后把各自十張牌保持原有順序分別裝到一個信封里，Alice和Bob可以攜帶著自己的信封到任何地方，需要使用的時候再打開信封，看一下十張牌的顏色排列，同時也立刻知道了對方信封中的十張牌的顏色排列。Alice用紅色表示1，黑色表示0，Bob用紅色表示0，黑色表示1，就可以利用牌顏色的二進(jìn)制序列作為共同的密鑰。Alice和Bob兩人分別在中國和美國，分別在地球上和火星上，都沒有關(guān)系，像是建立起了一種超時空的心靈感應(yīng)。當(dāng)然在現(xiàn)實(shí)中不會使用撲克牌做密鑰分發(fā)工具，比較常見的是網(wǎng)上銀行U盾這樣的電子設(shè)備。

用兩個信封里的“相互感應(yīng)”的撲克牌作為密鑰，其實(shí)會有兩個風(fēng)險難以避免，一是可能被第三方某個人偷看了，Alice和Bob也無法察覺，二是其中一個信封中的牌可能被第三方某個人偷偷替換掉包，也就是說兩人實(shí)際使用的密鑰已經(jīng)不一致了，但卻還以為是一致的。而“量子密鑰分發(fā)”恰好可以幫助解決這兩個難題。

一張撲克牌或者手電筒發(fā)出的一束光都屬于宏觀世界，而如果把物體尺度縮小很多倍，進(jìn)入的是微觀世界，組成一束光最小基本單元稱為一個光子，每束光中包含非常多數(shù)量這樣的微小光子，常常數(shù)以億計都不止。單個光子會表現(xiàn)出量子效應(yīng)，這是一張撲克牌這樣的宏觀物體所不具備的，上面所說的一對撲克牌的紅黑顏色糾纏關(guān)系與真正的“量子糾纏”也大不相同。

單個光子會自己繞著自己轉(zhuǎn)，稱為自旋，橫著豎著斜著都可以，使得每個光子具有了某一偏振方向，用角度來表示。此時紅色牌和黑色牌可以分別對應(yīng)于兩個不同的光子偏振方向，比如0度和90度分別表示0和1，或者45度和135度分別表示0和1。當(dāng)然光子偏振方向人眼不可能直接看出來，需要專門的儀器來測量（如不同方向的光偏振片）。兩個光子通過一定方式也可以糾纏到一起，使得測量出的0和1結(jié)果總是正好相反，比如只要一個光子偏振方向是0度，另一個光子偏振方向就會是對應(yīng)的90度，就像每對撲克牌總是一黑一紅一樣。

圖1：量子世界中一個光子的偏振方向取決于你怎么測量

可是事情卻又不是那么簡單，一張撲克牌無論你有沒有翻開看，用什么方式看，它“非黑即紅”的顏色已經(jīng)確定了。可光子的偏振方向在觀測前是“薛定諤的貓”，具有不確定性，觀測的結(jié)果還跟你的測量方式有關(guān)。測量儀器也分為檢測不同偏振方向的，比如有的是專門檢測0度還是90度的，有的是專門檢測45度還是135度的，稱為不同的“測量基”，互相之間并不匹配，就像兩款不同手機(jī)分別要用兩種不同接口的充電線一樣。兩個處于糾纏狀態(tài)的光子如果分發(fā)給Alice和Bob，雙方都用同樣的測量基檢測，才會保證測到的0和1結(jié)果總是相反（也有可以保證結(jié)果總是相同的別的糾纏方式），如果用不同的測量基檢測，會出現(xiàn)0和1結(jié)果各自獨(dú)立，互不相關(guān)，完全隨機(jī)的結(jié)果，相當(dāng)于沒有糾纏發(fā)生。有點(diǎn)像影院里看3D電影的時候，通過左右眼鏡片看到的畫面不同，才會產(chǎn)生立體感，所以如果只用單眼看，兩人要同時使用左眼鏡片或者同時使用右眼鏡片，看到的畫面才是完全一致的。

我們可以把糾纏的光子一對一對地分發(fā)給Alice和Bob，用于密鑰分發(fā)。Alice和Bob每次擲骰子方式隨機(jī)選兩個測量基其中一個來測量，有可能兩人選的一樣，也有可能恰好不一樣，只有測量基恰好一樣的時候，得到的1或0結(jié)果才是相反的，測量基不一樣的時候，雙方的1和0結(jié)果就聽天由命了。測量完之后，雙方告知對方各自使用的測量基序列是什么，然后心照不宣地只使用相同測量基對應(yīng)的那些結(jié)果（下圖中藍(lán)色的）作為共享密鑰，剩下的結(jié)果也可以公布出來，用于確認(rèn)信息有沒有泄露。而第三方偷看者事先即不知道Alice使用測量基先后順序，也不知道Bob使用的測量基先后順序，單靠猜測，一兩次或許能碰巧“蒙對”，次數(shù)多了一定對不上了，導(dǎo)致難以獲得正確的密鑰。

圖2：利用糾纏光子進(jìn)行量子密鑰分發(fā)的方法

而量子世界的神奇還不限于此，不僅對于兩個糾纏狀態(tài)的光子，最后測到的偏振方向結(jié)果和測量方式本身有關(guān)，即使對于單個光子，明明在一方剛開始發(fā)出去的時候是一個偏振方向，另一方測量的時候因?yàn)檫x取的測量基不匹配，也可能會測到另一個與初始偏振方向不相符的結(jié)果。如果在Alice或Bob測量手中的光子前，偷看者自己搶先先測一遍，再按照測量結(jié)果重新生成光子發(fā)給Alice或Bob，由于偷看者使用的測量基序列和Alice或Bob的實(shí)際測量基序列不一致，不僅得不到正確結(jié)果，還會“偷雞不成蝕把米”，暴露了自己的“不軌行為”。

經(jīng)過偷看者“如假包換”的光子到達(dá)Alice或Bob手中后，兩人公布部分檢測基序列，比對結(jié)果時就會發(fā)現(xiàn)破綻，讓偷看者的行為“原形畢露”。具體來說，兩人檢測基一樣的時候，部分結(jié)果不是1和0相反，兩人檢測基不一樣的時候，反倒有異常多的結(jié)果顯示出1和0總是相反。

事實(shí)上量子密鑰分發(fā)既可以使用很多對糾纏的光子（BBM92協(xié)議），也可以使用一長串單個的光子（BB84協(xié)議、B92協(xié)議），前者是Alice和Bob分別各測一對糾纏光子中的一個，后者是Bob測量Alice生成發(fā)出的同一個光子。由于量子世界的奇妙的特性，兩種方案都可以獲得宏觀經(jīng)典世界無法實(shí)現(xiàn)的安全效果：“信封里的撲克牌”一旦被人偷看或調(diào)包，就可以察覺出來，并且讓偷看者得不到正確的密鑰信息。

密鑰好比是一間秘密儲藏室的大門鑰匙，保管和傳遞好這把鑰匙，才能放心在密室里存放自己的物品。量子密鑰分發(fā)正是一種保管鑰匙的絕招，對于無論是銀行金融機(jī)構(gòu)交易信息的保密，還是互聯(lián)網(wǎng)電子商務(wù)個人隱私信息的防護(hù)，都可以發(fā)揮重要作用。

實(shí)際實(shí)驗(yàn)中，雙光子糾纏態(tài)的制備可以利用光學(xué)系統(tǒng)自發(fā)參量下轉(zhuǎn)換過程，比如依靠激光泵浦特殊切割角度的非線性光學(xué)晶體來產(chǎn)生。那么文章開頭視頻中總是紅黑成雙成對的“糾纏”撲克牌又是怎樣“制備”的呢？其實(shí)很簡單，一副52張或54張的普通撲克牌，紅黑牌各占一半，然后把牌分成兩疊，每一疊牌中保證都是紅黑相間的，并且兩疊牌最下面一張保證是顏色相反的，像下圖這樣（例如黑桃Q和方片3），然后把兩疊牌以常規(guī)的方式洗牌一次，互相穿插疊到一起，并不需要洗牌高手那樣“一張壓一張”，也就是說兩疊每次落下的牌數(shù)量有一定隨機(jī)性，但是最后交錯合到一起后，還是總能保證每次取出相鄰一對，必定是一紅一黑，這與奇數(shù)和偶數(shù)的性質(zhì)有關(guān)，這里就不做詳細(xì)解釋了。

圖3：顏色相互糾纏的撲克牌“制備”方法