什么是量子加密（二）

阅读背景：什么是量子加密（一）

接着上一篇文章，聊一聊量子掷币(Quantum coin flipping)。

上一篇所说的量子密钥分发，有个致命的问题，那就是通信的双方必须是互相信任的。也就是说，通信双方必须先通过其他手段确认对方的身份。既然有其他更基础的方式可以确认身份，那还要量子密钥分发干嘛呢？真是来自灵魂的拷问。

事实上，熟悉互联网的人都很清楚，在互联网上想要确认对方的身份可能比登天还难。你永远都不知道互联网的另一端是狗还是猫，就像你看到这篇文章时，你很难分清我是个质高气雅的萌妹子，还是一个地中海的抠脚大叔。当下的互联网，依靠HTTPS一定程度上解决了信任问题。但是，HTTPS的安全是有条件的。一方面，颁布HTTPS证书的机构必须是值得信任的，而机构的背后是人，这其实是在考验人性。另一方面，用户的入网设备也要足够安全，如果设备被黑客或者厂商安装了他们自己颁布的根证书，那HTTPS就形同虚设了。

回到量子加密的话题。为了解决身份认证的问题，密码学家发明了量子掷币协议。这个协议源自一个经典的加密问题。

Alice和Bob是一对小夫妻，最近他们离婚了，生活在两个不同的城市。他们有一辆车需要确认归属权，但是他们不想见面，也不想找第三方公证。Alice提议由她掷硬币决定车的归属权，但是Bob担心无论自己猜测硬币哪一面朝上，Alice都会说他没有猜对。

那么有没有一种方法，不需要第三方参与，由Alice操作，Bob猜测结果，再由Alice揭晓结果，最后双方都能认可这个结果。答案是有的，是不是很神奇。

量子掷币正是为了解决上述问题而产生的。量子掷币一般涉及两个互不信任的人，不防称他们为Alice和Bob。量子掷币执行的一般过程如下：

Alice生成一串随机数字，与Bob约定两套发射量子比特的方案，如使用直线模式或者对角线模式的偏振片，不防称之为A方案和B方案。Alice使用其中固定的一套方案向Bob发射这串随机数字的量子比特。
Bob为每个量子比特随机选择一套测量方案，记录测量方案和测量值。
测量完成后，Bob猜测Alice所使用的是A方案还是B方案，就像猜测硬币正反面一样。
这个时候Alice就可以宣布Bob是否猜对了，最后Alice需要把那串随机数的值以及发射量子比特所使用的方案告诉Bob。
Bob只要把自己使用正确方案测量出来的值和Alice发送过来的那串随机数字进行比对，如果对应的值都能匹配上，就可以接受Alice所宣布的结果。

为什么呢？

首先，Alice是不能说谎的。原因是，她不知道Bob究竟采用哪种方案测量了每个量子比特。Bob只要验证那串随机数字，就很容易证明Alice是否在说谎。当然，在Bob说出猜测结果前，Alice必须保护好那串随机数列。

其次，Bob是可以验证Alice宣布的结果的。Alice宣布结果后，还需要提供原始随机数字序列。Bob只要比对一下正确测量的值是否匹配就可以了。当然，Bob必须保证他的测量方案不能让Alice知道。

量子掷币的实现，有个核心仍然是随机。首先是Alice产生数字序列需要是随机的，然后是Bob必须随机选择两套方案中的一种分别测量每一个量子比特。而正如上一篇文章末尾所说的，随机本身是很难实现的。事实上，如果随机从1到100内产生10个自然数，序列1，1，2，3，50，49，86，54，85，18，看着更像是随机的，但事实上却很可能不是随机序列。序列5，5，5，5，5，5，5，5，5，5，看着很不像随机的，而事实上却可以是随机序列。随机，就是这样，我行我素。

量子掷币其实也有个问题，那就是Bob其实是有说谎空间的。比如说，即便Alice完全诚实，当Bob发现自己猜错了，他完全可以说，Alice给的随机数字串和自己测量的值不匹配。出现这种情况，Alice只能认为信道受到干扰或者攻击，从而导致Bob收到的量子比特出现错误。Alice除了重新抛一次硬币，别无他法。不防想一下，Alice有没有办法验证Bob是否在说谎呢？

密码学是一个事关个人甚至国家安全的学科，这个特质使得密码学和别的学科完全不同。外界很难真正知道这个学科最前沿的研究，很多前沿的研究是不可能以论文的形式发布的。当年图灵破解了德国的恩尼格玛机，受制于《保密法》的限制，破解细节直到图灵死后20年才得以公布。

其实，量子加密的很多方法都是几十年前提出的，但是实现的具体细节以及实现的完备程度是很难说清楚的。了解量子加密的意义在于，加密的对面永远是解密，加解密双方时刻都在头脑风暴，这便产生了很多精妙的思想。学习和应用这些思想才是关键。

很多时候我们并不需要一味求新，系统学习基础知识远比学习一堆乱七八糟的快知识更重要。广泛应用于通信领域的TCP协议，定稿于1981年，至今就没怎么变过。爱因斯坦的相对论发表于100多年前，直到今天理解其精妙的人也寥寥无几。《三体》中三体人要打一个文明的七寸，首选的便是抑制这个文明基础学科的发展。

多花点时间研究底层的原理，时间久了，你看到的便是云淡风轻，而非乌烟瘴气。

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