BB84简介

BB84协议是国际上首个量子密钥分发协议，是美国科学家Charles H. Bennett和加拿大科学家Gilles Brassard在1984年提出的，BB84是两人姓的首字母以及年份的缩写。

中科院物理研究所于1995年在国内第一次完后了BB84协议方案的演示实验

量子力学两大基本原理

海德堡测不准原理

微观世界的粒子有许多共轭量(位置和速度)。在某一时刻，人们只能对一个共轭量之一进行测量，不能同时测量另一个与之共轭的量。更加奇怪的是，量子态叫做「只能测一次」。只要对任何一个量子态做一次测量，那个量子态就会坍塌，彻底变成另外一个状态；那么不会有第二次机会。

不可克隆原理

量子的世界不同于经典的世界，经典的世界复印机可以复印相同的一份文件；但是在量子世界却不存在，复制后将破坏原来的量子态。

BB84编码原理

偏振光子的四个状态

编码方式

正确选择测量基的情况

错误选择测量基的情况

错误地使用“+”形接收器接收“撇捺”组量子信使同理，信息接收者无法分辨原本信息的发送者想传递的究竟是0还是 1 。
例如，姿态为“横”的量子经过“x”形接收器时，有可能会改变自己的姿态，变成能通过接收器的姿态，也就是姿态为“横”的量子经过“x”形接收器时，姿态可能变为“撇”，也可能变为“捺” 。

BB84协议内容

BB84协议要求通信双方有两条信道：一条量子信道，一条经典信道
我们把信息发送者叫做Alice，信息接收者叫做Bob。现在他们要用BB84协议，为他们的通信确定一个密钥。

量子信道的通信

经典信道的通信

BB84协议通信示例

BB84的安全性

经典信道的安全性

按照密码学传统，我们称窃听者为Eve。
如果Eve在传统信道上窃听，她会在上述第四步听到Bob的测量方式，但是Bob没有发送测量结果。
Eve还会听到Bob一部分正确测量位以及测出的结果（上述第六步中，Eve会听到集合D以及对应的测量值），但是最后Alice与Bob选择通信密钥时会完全丢弃集合D，即完全丢弃在传统信道交流过的那些位。
到最后，Eve只知道Alice与Bob使用了S的哪些位用作通讯密钥，但是Eve不知道这些位上的具体数值是多少。

量子信道的安全性

例如，S在某一位上的值是 1，Alice用竖姿态量子信使发送了这一位信息，但是Eve错用“x”形接收器接收这一位信息，这样此量子可能变成了撇量子（或捺量子），但Bob在这一位上恰好猜对了，他用“+”形接收器接收经过Eve窃听过的量子信使（撇或捺量子信使），结果量子状态变成了横姿态量子（也有接收成竖姿态量子，信息碰巧正确地被传递了，这时这一位不会引起Alice-Bob的注意），原本是 1的值Bob用合适的接收器接收却得到了0。

然后在上述协议的第六步，选集合C的时候，如果Bob正好把这一位选中发给了Alice，那么Alice就会发现Bob在这一位上明明使用了正确的接收器却没有得到正确的值。这种情况出现频率超过某个阈值，Alice就会察觉有人在窃听量子信道

总结

BB84协议是首个量子秘钥分发协议，具备较高的安全性。但是也不是完美的，例如在量子信道窃听会干扰通信，虽然不会获得具体信息，但是会对通信产生干扰。