什么是量子密码学？

每次你在网上购物时，你都会相信数学——简单的数学，在一个方向上很容易做，但反向很难做。这就是保护你的信用卡信息免遭窃贼的方法。但该系统可能会被黑客入侵。

例如，一种流行的加密方案只能通过将一个巨大的随机数（解锁加密信息的“密钥”）分解为两个素数才能破解。这是一项如今极其困难的任务，但并非不可能。只要有足够的计算能力，间谍政府就可以破解密钥。或者，从理论上讲，一些聪明的数学家可以找到一种简单的方法来分解大数，并在明天完成。

为了提高密码破译者的安全性，新一代密码编写者已从数学转向物理学。这些密码学家是原子和其他粒子方面的专家，他们希望利用量子力学定律发送可证明无法破解的信息。他们是量子密码学这一新领域的奠基者，这一领域在过去几十年才刚刚成熟。

量子密码学的力量源自小尺度现实的奇异性。构成我们宇宙的粒子本质上是不确定的生物，能够同时存在于多个地方或多种存在状态。只有当它们碰到其他东西或我们测量它们的属性时，它们才会选择如何表现。

量子密码学的力量来自于小规模现实的奇异性。

目前为止，这种奇怪行为最流行的加密应用是量子密钥分发（QKD）。量子密钥以粒子（通常是光粒子）的模糊属性对解密消息所需的信息进行编码和发送。试图窃取密钥的窃听者必须对这些粒子进行测量才能做到这一点。这些测量会改变粒子的行为，引入可以检测到的错误，并提醒用户密钥已被泄露，不应将其用于编码信息。

QKD 有很多变体，其中一些采用一种不寻常的长距离量子连接，即纠缠来保护信息。纠缠允许两个粒子表现得像一个实体，无论它们相距多远。干扰一个粒子，它的伙伴会立即做出反应，即使在宇宙的另一端，也会暴露黑客的存在。

QKD 系统正在成为现实。第一笔量子交易发生在 2004 年，当时维也纳的研究人员使用纠缠光子将 3,000 欧元的存款转入他们的银行账户。商用 QKD 系统于 2013 年进入美国，当时非营利性研发机构 Battelle 安装了受加密光子保护的光纤网络。该系统由 ID Quantique 开发，已经使用其技术保护了 2007 年日内瓦选举的结果。

量子密码学家、牛津大学教授、新加坡国立大学量子技术中心主任阿图尔·埃克特 (Artur Ekert) 表示：“尽管在其成为标准商业提案之前还有一段路要走，但我们取得的进展比我预想的要快。”

只要干扰一个粒子，它的伙伴就会立即做出反应，即使在宇宙的另一端，也会暴露出黑客的存在。

与其他 QKD 方案相比，纠缠可以提供额外的安全性。虽然后者要求所用设备是可信的，但纠缠为独立于设备的加密打开了大门，即使在不受信任的设备上也能保持安全。

可以使用一组描述粒子行为相似程度的统计数据（称为贝尔不等式）来验证基于纠缠的系统的量子性，从而保证系统的隐私。

尽管 QKD 几乎成了量子密码学的代名词，但它只是该领域处于不同发展阶段的众多理念之一。20 世纪 60 年代，哥伦比亚大学的一位教授提出了一种不可能伪造的量子货币理念；每张纸币中都包含一些被捕获的粒子，银行可以验证这些粒子的属性。量子随机数生成器现在可以生成真正随机的量子涨落，而不是基于计算机算法。计算机算法永远不可能真正随机。

其他人则在研究如何安全地将普通计算机的任务发送到未来的量子计算机——这些设备有望在某些工作上比今天的计算机做得更好——具有讽刺意味的是，其中之一就是今天保护你的信用卡交易的超大数字的分解。

密码制定者和密码破译者的未来是纠缠在一起的，对双方来说都可能是量子的。