BB84 协议概览
BB84 是世界上第一个量子密钥分发算法,由查尔斯·贝内特(Charles Bennett)和吉勒·布拉萨德(Gilles Brassard)于 1984 年提出。
爱丽丝生成一串随机比特(0 和 1),并为每个比特随机选择一个测量基:
- 直线基:0 用 0°(垂直偏振),1 用 90°(水平偏振)
- 对角基:0 用 45°,1 用 135°
在游戏中:你可以手动选择偏振,也可以使用自动发送。
爱丽丝把每个光子(量子比特)通过量子信道发给鲍勃。量子态无法被复制(不可克隆定理)。
在游戏中:光子沿量子信道从爱丽丝飞向鲍勃。
对每个到达的光子,鲍勃随机选择一个测量基(直线基或对角基),并在这个基下测量光子。
在游戏中:鲍勃自动选择一个随机基,并显示测量结果。
发送完所有光子后,爱丽丝和鲍勃通过经典(普通)信道互相告知每个比特用的是哪个基——但不透露比特的值。
在游戏中:点击“筛选密钥”会启用经典信道来交换测量基信息。
爱丽丝和鲍勃只保留测量基一致的比特(约占全部发送量的 50%),其余丢弃。
在游戏中:由测量基一致的测量结果组成原始密钥。
在真实的协议中,爱丽丝和鲍勃会比较剩余比特中的一部分(比较后丢弃)。如果伊芙窃听过,她会引入错误,这些错误会在比较中被发现。
在游戏中:公开比较筛选后密钥中的 30 个随机比特来估计 QBER(量子误码率)。“伊芙”开关展示窃听如何提高误码率。
如果误码率低于某个阈值,剩下的比特就构成秘密密钥。否则密钥作废,过程重新开始。
在游戏中:如果 QBER < 11%,剩余比特经过纠错后被压缩(异或)成一个 8 位密钥;如果 QBER ≥ 11%,密钥作废。
协议的安全性:BB84 的安全性建立在量子力学的基本原理之上——任何测量量子态的尝试都会扰动它,因此窃听是可以被发现的。