E91 协议说明
E91 协议由阿图尔·埃克特(Artur Ekert)于 1991 年提出。他的想法是:密钥的安全性可以通过贝尔不等式是否被违背来检验——也就是确认光子之间确实相互纠缠,因此不可能与伊芙“关联”在一起。
光源产生处于 |Ψ⁻⟩ = (|HV⟩ − |VH⟩)/√2 态的光子对,把一个光子发给爱丽丝,另一个发给鲍勃。如果两人在相同角度下测量偏振,结果总是相反的。
对每一对光子,爱丽丝从 0°、22.5°、45° 中随机选一个偏振片角度,鲍勃从 22.5°、45°、67.5° 中选。结果:0——光子通过了偏振片,1——没有通过。
如果爱丽丝和鲍勃的角度相同,他们的比特总是相反。角度差越大,相反的情况就越少:差 22.5° 时为 85%,差 45° 时如同抛硬币,差 67.5° 时只有 15%。相距遥远的光子之间的这种协调,比任何经典关联都更强。
所有测量完成后,爱丽丝和鲍勃通过公开信道公布各自使用的角度。测量结果暂时保密。
角度相同的光子对(22.5°/22.5° 和 45°/45°)进入密钥——鲍勃翻转他的比特。爱丽丝取 0°/45°、鲍勃取 22.5°/67.5° 的光子对进入贝尔检验。其余的丢弃。
爱丽丝和鲍勃完整公开检验用的光子对,并把它们变成一个游戏:在 0°/67.5° 时比特应当相同,在另外三种组合中应当不同。普通光子即使事先约好任何“作弊表”,最多也只能赢 75% 的回合;纠缠光子能赢约 85%。他们还会公开一部分密钥光子对来统计错误。
如果胜率明显高于 75% 且错误很少,说明纠缠完好,伊芙对密钥知之甚少:密钥经过纠错和压缩。如果胜率不超过 75%,说明光子表现得像普通光子——有人测量过它们——密钥作废。
为什么有效:纠缠具有“一夫一妻性”(monogamy)。如果爱丽丝和鲍勃的光子彼此最大程度地纠缠(|S| ≈ 2√2),就不可能再有第三方与它们关联。伊芙的任何测量都会把光子对变成普通光子——|S| 也会降到经典值。