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BB84:窃听必留痕

QKD 的安全性来自物理定律,不是计算难度

交互8 分钟第 68 / 80 节更新于 2026-10-18

两个人想共享一串只有他们知道的密钥。传统办法靠数学难题,量子办法靠一条更硬的规则:在理想单光子、无侧信道的模型里,偷看必然扰动量子态,在筛后密钥里留下误码;设备漏洞(探测器致盲、效率失配)是另一类风险,需要单独防护。

两种基,四种态

Alice 每一位随机选一个比特(0 或 1)和一个基(+ 或 ×),编码成四种偏振态之一。Bob 收到后也随机选基测量:基相同,结果必然等于 Alice 的比特;基不同,结果与比特无关。两人公开比对用了哪个基——只说基,不说比特——保留相同基的位。这一步叫筛后,大约剩一半。

Eve 若截获、测量、重发,她不知道 Alice 的基,只能猜。猜错的概率是一半;猜错之后,她发出的态与 Alice 的原态不同,Bob 即使基选对了,结果也有一半概率是错的。对筛后保留的位,误码率就是:

Perr=12×12=25%P_{\text{err}} = \frac{1}{2}\times\frac{1}{2} = 25\%

Alice 与 Bob 抽一部分密钥公开比对。误码率明显高于约 11%,整批丢弃——这个阈值来自安全性证明里的容错上界,不是拍脑袋的经验值。

先关着 Eve 跑几批,误码率应为 0;再打开 Eve 多跑几批,累计误码率会升到 25% 上下,越过 11% 的判决线,判决行变红。单批只有 8 轮、筛后约 4 位,样本太少时判决行会停在「先别下结论」——这正是真实 QKD 要累计足够多位才敢判断的原因。

BB84 与窃听
先关着 Eve 跑几批,筛后误码率应为 0;再打开 Eve 多点几次「再跑一批」,判决用的是累计误码率:攒到 20 位以上,才会给出 25% 左右、超过 11% 阈值的红色判决。只跑一批时样本只有几位,判决会提示样本不足。

QKD 与 PQC 是两件事

量子密钥分发常被说成「用量子计算机保护通信」,这是两回事。它不靠计算难度,靠的是测量会扰动状态、未知量子态不可克隆。对手就算有无限算力,偷看也会留下误码。

后量子密码走的是另一条路:仍然是经典算法,只是把难题换成量子计算机也不擅长的,比如格上的问题。NIST 已经发布相关标准。一个管分发密钥,一个管公钥算法,经常被媒体混成一句话。

现实限制也要说清:光纤损耗让距离上不去,量子中继还不成熟;长链路要靠可信节点中继,而可信节点本身是一个信任假设;设备还可能被侧信道攻击。QKD 不是「无条件安全」的魔法。

只要窃听者足够小心,就能在不被发现的情况下拿到密钥。
要拿到比特值就必须选基测量,选错就扰动状态;误码率是统计量,抽样比对就能发现。除非她能复制未知量子态,而不可克隆定理不允许。
「必留痕」不是修辞,痕就是误码率。它可测、可统计,也可以被噪声掩盖——所以还要做抽样与保密性放大。
一句话结论

BB84 的安全性来自物理定律,不是计算难度。筛后、误码率、阈值、保密性放大,每一步都能在演示里看到。它也不是万能药:距离、可信节点与设备漏洞,都是工程上要单独解决的问题。

本节自测 · 3 题
未作答
01为什么筛后密钥只剩一半左右?
02Eve 截获、测量、重发之后,筛后密钥的误码率为什么约为 25%?
03下面哪句话正确区分了 QKD 与后量子密码?