本文發表於《大眾科學》的前部落格網路，僅反映作者的觀點，不一定代表《大眾科學》的觀點
我最近被BBC的一篇文章要求評論量子計算是否“指日可待”。我是否認為量子計算機會在 5 年內出現？我不這麼認為。但是，作為一個永遠的樂觀主義者，我指出技術史表明，新技術往往與現有技術結合出現。我認為量子效應很可能以這種方式在計算中得到利用。我們往往只是在回顧時才將某些技術領域視為“飛躍”。實際上，進步是由一系列小步驟組成的；更多的是進化而不是革命。因此，我認為量子資訊科技也將是如此。
在完成 BBC 的文章後，我才意識到量子資訊科技有一個很好的例子，它正在從實驗室分支走向日常應用領域：量子密碼學。“量子密碼學”這個術語對不同的人意味著不同的事物，但在這裡我特指量子金鑰分發 (QKD)。這是利用量子現象，結合傳統的密碼學技術，來解決長期困擾那些試圖傳送秘密資訊的人們的問題。
在所謂的對稱金鑰密碼學中，明文使用已知的演算法進行加密，該演算法使用金鑰。這個金鑰必須在傳送者和接收者之間共享，他們通常被稱為 Alice 和 Bob（A 和 B）。現代資訊理論之父克勞德·夏農證明，最安全的加密形式是金鑰的長度與訊息的長度相同，並且金鑰只使用一次。這被稱為“一次性密碼本”。
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Alice 和 Bob 試圖做的是阻止竊聽者 (Eve) 攔截和閱讀他們的秘密訊息。在這種情況下，無論使用哪種演算法，最大的問題是如何在 Alice 和 Bob 之間共享金鑰，而不會讓 Eve 知道該金鑰，從而能夠解密他們的秘密訊息。儘管在生成越來越安全的加密演算法方面已經做了大量工作，但薄弱環節仍然是金鑰的傳輸。
在軍事或外交等情況下，您可以安排安全信使將金鑰從 Alice 傳遞給 Bob。政府組織設有專門的部門和程式來安全處理密碼金鑰。假設您可以信任信使以及他/她攜帶金鑰的過程，您可以合理地確信金鑰沒有被洩露。然而，隨著世界變得更加互聯互通，從保護電子郵件到確保信用卡詳細資訊的保密性，日常使用者對密碼學的需求也在增加。
這個問題在 1970 年代被許多研究人員提出，促成了 1976 年 Diffie 和 Hellman 發表的開創性論文“密碼學新方向”以及 Rivest、Shamir 和 Adleman (以 RSA 聞名) 之後不久的工作。這為公鑰加密（也稱為非對稱加密）奠定了基礎，即使人們不一定意識到，但今天大多數人都在網際網路上使用它。
在這種加密方式中，加密中使用的金鑰既有私有元素，也有公共元素，並且透過使用適當的協議，可以在 Alice 和 Bob 之間傳遞加密訊息，而他們只需要傳遞金鑰的公共部分。之所以能夠實現這一點，是因為存在一些相對容易執行但極難撤銷的數學函式。經典的例子是組合大素數，然後嘗試分解得到的大數以確定原始素數。
然而，總是存在這樣的危險：在某個時候，有人會發現一種迄今為止未知的數學或計算技術，使得公鑰密碼學所基於的數學問題變得容易解決。（當然，沒有什麼可以阻止現在攔截訊息並將其儲存起來，以防這種情況成為可能。有些秘密人們可能不希望在 10 年、20 年甚至 30 年後被洩露。）
還有一個額外的複雜性，即公鑰加密的效率遠低於對稱加密。許多看似公鑰加密的實現實際上使用公鑰加密來傳遞金鑰，然後將該金鑰用於其餘通訊中效率更高的對稱金鑰加密。
因此，理想的解決方案是使用對稱金鑰加密，使用與被加密訊息長度相同的金鑰，並且金鑰的交換方式可以使 Alice 和 Bob 永遠保證金鑰沒有被 Eve 或其他任何人攔截。這就是量子金鑰分發的承諾。
在 QKD 中，金鑰是使用“量子位元”而不是經典的“位元”（0 和 1）傳輸的。量子位元只是量子級別的特徵，例如光子的偏振（構成光的粒子）。例如，您可能有垂直偏振光表示 0，水平偏振光表示 1。
QKD 依賴於量子不確定性的反直覺現象。這表示量子位元可以同時表示 0 或 1，或者關鍵的是，兩者都表示。如果使用垂直和水平偏振光（0 度和 90 度），那麼對於單個光子，兩種狀態同時存在，直到被測量的時刻，此時它才呈現一個或另一個值。
在光的偏振情況下，您需要使用特定的濾波器來確定 Alice 設定的偏振方向。但是，如果您使用的濾波器旨在測量不同方向的偏振光，則獲得的測量結果是隨機的。例如，如果您的濾波器測量光子是否具有對角偏振（45 度和 135 度），那麼任何使用垂直/水平方向偏振的光子都將被隨機測量為具有 45 度或 135 度，而不是 0 度或 90 度。反之亦然。
QKD 的巧妙之處在於已經開發的協議，這些協議利用了測量光子會導致它呈現確定狀態這一事實，並且該狀態取決於您如何測量它。
QKD 中最常用的協議可能是 BB84，它是由同名的 Bennett 和 Brassard 在 1984 年釋出的。在 BB84 中，Alice 使用兩組可能的態傳輸金鑰。假設它們是上面描述的兩組偏振光。當 Bob 接收到光子時，他不知道使用了哪組偏振，因此隨機選擇一個濾波器來進行測量。如果選擇的濾波器是不正確的集合，他將獲得隨機結果。如果 Bob 隨機選擇他的濾波器，這種情況將發生 50% 的時間。
現在 Bob 告訴 Alice 他已經收到了金鑰，她告訴他，可能透過公共通道，她對哪個光子使用了哪組偏振。由此，他們可以判斷哪些光子 Bob 會正確測量，從而判斷哪些光子應該丟棄。從他們保留的光子中，他們構建一個金鑰。
如果 Eve 攔截了光子並將它們重新傳輸給 Bob，她也會遇到同樣的問題，即必須隨機選擇濾波器。因此，她會像 Bob 一樣引入錯誤，但由於 Eve 和 Bob 是隨機選擇的，Bob 會發現他有比預期更多的錯誤。透過比較 Alice 和 Bob 希望用於金鑰的光子中的錯誤數量，他們可以確定是否被攔截，並在必要時拒絕它並重新開始。
確信他們的金鑰只為他們兩人所知，Alice 和 Bob 可以使用傳統的對稱金鑰演算法來加密他們想要傳遞的訊息。在使用光纖電纜傳輸光的例子中，這一切都可以非常快速地完成，如果正確實施，金鑰的長度可以與正在加密的訊息的長度相同。因此，Alice 和 Bob 可以進行真正安全的通訊。
當然，現實世界的工程意味著它並沒有那麼簡單，錯誤也會由傳輸介質（例如光纖電纜）和正在使用的其他裝置部件引入。在設定容忍的錯誤級別之前，這會被考慮在內，然後再將金鑰作為已被洩露而丟棄。自從 BB84 釋出以來，已經開發了其他協議，包括使用不同的現象，例如量子糾纏。
是的，QKD 仍然容易受到各種攻擊，特別是所謂的側通道攻擊，在這種攻擊中，攻擊的不是加密本身，而是其他薄弱環節，通常是人。此外，除非 Alice 和 Bob 使用與訊息長度相同的金鑰，否則總是可能有人會發現演算法中的漏洞，或者能夠對加密訊息使用日益強大的密碼分析技術。
但是，如果嚴格實施，QKD 有望實現快速、可證明安全的通訊。正是由於這個原因，在過去的十年中，它已經離開了實驗室，裝置已經商業化，可以部署 QKD。存在侷限性：目前基於光纖的實現通常可以傳輸 100 到 200 公里，並且資料速率沒有現代網路期望的那麼高。但是，隨著更多公司進入市場，並且日內瓦和東京等一些城市選擇實施 QKD 網路，這種從理論到商業產品的旅程確實表明，在可預見的未來，量子現象確實將在我們計算基礎設施的日常使用中出現。
圖片來源：Wikimedia Commons 上的 CSTAR 提供的 Pauli 自旋態空間；Wikimedia Commons 提供的線偏振示意圖。