透过通信加密史，看量子通信为何可以做到无懈可击

近来媒体有很多报道，我们个人的隐私开始有很多泄露的情况。早在2014年， 12306、京东、最近是南都记者，他用600块钱可以买到同事的精准定位，300块钱可以买到高考以来所有的身份证使用有关的记录，甚至打包买还可以打折。从我个人而言，我也经常会收到类似的短信，说我们可以帮你复制一张和他一样的手机卡，能监听他的电话、QQ。这些都表明我们的个人隐私，无时无刻都处在一个被泄露的风险当中。

1、信息危机
现在有报道称因为个人隐私泄露所造成的经济损失，全球范围内达到上千亿美元，我们知道从U盘，到海底光缆（我们从前以为它很安全），再到现在通过潜艇可以进行无感的窃听。那么无论个人隐私也好，甚至是国家的安全都需要信息的保障。

所有的这些信息都处于一个随时暴露的状态，怎么办呢？

2、从古至今
其实早在公元前400多年的时候，古希腊时代就已经有一些加密的技术。

古希腊人最早是拿一个棍子，把这个指令缠着，打开后就看不出原来的指令了，你必须用原来的棍子把它缠上才能看到指令。当然如果这个棍子不规则就更难破解一些。

再往后，凯撒大帝开创性地使用一个叫移位的编码，他相当于把字母移开4位，比如说D对应A，E对应B，F对应C这样子。后来发现我们讲话的过程当中，其实字母的使用频率是固定的，通过统计字母的使用频率可以完全地破解这种加密方式。

接着在二战时期，德国人机械水平领先，它是通过纯机械的方式构建了Enigma机器，就是密码机，用纯机械产生1亿亿种的组合，这个看上去好像很难破解，确实在起初束手无策，造成了很多损失。

后来图林最早发明了我们现在的计算机的第一代雏形Bombe机，破解了Enigma机，导致了二战的结束。那么为什么它能够被破解呢？因为尽管觉得1亿亿种很多，其实它还是有限的一个数字，一直到后来，包括我们现在有的公钥体系用户，比如说现有的我们银行的加密体系里面，包括Google邮箱使用的公钥体系，都是基于计算的复杂度。

3、新的方案
比如说你要破解这个密码，你用全世界所有计算机加起来，加起来你要给他算10万年才能把它破解。在这种情况下就认为是安全的，但是不管怎么样它始终是可被计算的，那可被计算的，有一天当我们的计算能力达到一定水平的时候它就能够被迅速破解，而目前所有的公钥体系，都可以被量子计算所破解。

怎么解决这个问题呢？早在其实在上个世纪50年代的时候就已经给出了方案，如果我用的密钥跟明文一样长，而我的密钥完全随机地产生，什么意思呢？我对你每一个比特的加密方式，比如说对这个移一位，对这个移两位，每次都不一样，当密钥长度跟明文一样的时候，有无限种组合，意味着你无论多强的计算能力都没有办法把这个计算出来。

它这个叫做无条件安全。

方案现在有了，问题就是两个通信人之间怎么把密钥传递过去？比如说我跟潘老师建立通信，我怎么把密钥传给他？当然最笨的方法就是我拿个密钥本子跑到潘老师家里交给他，下次我跟他通信就可以了。

但是密钥总会用完，另外有些场合我也没办法去怎么办？而且现在我们的数据量是非常非常大的，我们每天在因特网上，我们家的带宽也已经到50M了，每秒钟50M 的数据，你是需要一个非常大的硬盘才能够装载这些密钥。利用量子通信的方式，就开创性地提供了一个手段。

4、密钥分发
我这里简单介绍一下量子密钥分发的原理，我们经典的通信里面它的信息都是以光的能量来编码的，编码0和1，能量很强的时候是1，能量弱的时候0，你仔细看的时候，发现不光是1，0的时候里边也有非常多的光子，这个时候如果我把这个光线稍微弯折一下，或者是让它稍微漏出一点点光来，只要我的探测能力足够，我就能够读取出全部的信息来， NSA监听的时候，也是监听数据传输线路上的，从光纤里泄露出来的信息。

那量子通信是提供了这样一个开创性的方式，突破传统，它使用单个光子的量子态来携带密钥信息，但这个密钥信息有什么好处呢？

第一，它是单个光子，不能被砍一半，因此它没有办法被复制，一旦你去看它它就会变化。这样一来我就可以跟潘老师传密钥的话，我先给他传一堆随机数，因为这个里面不携带任何的信息，只是密钥，我们去看到底这组密钥有没有人去窃听，有人窃听我就不要了，我再传，一直到我确保传递的信息没有被窃听的情况下，这个时候我再利用一次一密的方式进行加密。

量子密钥分发就提供了一个无条件安全的密钥分发手段。

这个密钥分发最初是1984年提出来的，第一个实验是1992年，在自由空间中走了大概32厘米，在此之后大家都把