BB84:量子秘密の共有方法

なぜそれが重要かを理解するため、一歩下がる必要があります。暗号は常に人類史の基本的な部分でした。古代ローマから第二次世界大戦、そして今あなたの電話のロック解除まで、人類は常に安全に通信する方法が必要でした。これが数学者を新しいメッセージ暗号化方法を見つけることに導きました。

誰もが見つけた最良の答えはヴァーナム暗号、またはワンタイムパッドと呼ばれるものでした。この暗号方式は秘密鍵を使ってメッセージを暗号化し、誰も読めないようにします。そして送信者と受信者の両方が同じ鍵を共有する必要があります。

しかしいくつか問題があります:

では、なぜどこでも使わないのでしょうか?元の問題が残っているからです:そもそもボブに安全に鍵を届けるには?

送る鍵はすべて、あなたが知らないうちに傍受されコピーされる可能性があります。

1984年、チャールズ・ベネットとジル・ブラサールはBB84を発表しました:量子力学を使って秘密鍵を安全に配送できる最初のプロトコルです。

これは量子暗号ではありません。メッセージはまだワンタイムパッドで古典的に暗号化されます。量子力学がするのは鍵配送問題の解決です。アリスとボブが会わずに共有ランダム鍵を生成し、それを傍受しようとする者を検出できるようにします。

それは私たちがすでに見た量子力学の基本事実に帰着します:量子状態は乱さずに測定できません。 そして未知の量子状態をコピーできません。

古典的には、スパイはメッセージを傍受して完全にコピーでき、あなたは決して知りません。量子の世界では、それは不可能です。どんな干渉も痕跡を残します。

アリスはボブに量子ビットの列を送ろうとしています。ボブはそれらを測定します。彼らが最終的に共有するのはメッセージではありません — 指紋を残さずに他の誰も見られなかった秘密ランダム鍵です。

ここがアリスの行うことです。鍵の各ビットに対し、同じプロセスに従います。

まずコインを振ります。これによりランダムビットbを得ます。表は0、裏は1。

次にもう一度振ります。これによりランダム基底pを得ます。表は0(Z基底)、裏は1(X基底)。

この表に従って量子ビットを準備します:

ビットが0で基底がZなら|0⟩を送ります。ビットが1で基底がZなら|1⟩を送ります。基底がXなら、|+⟩または|−⟩を代わりに送ります。

注意:アリスがどの基底を使ったかわからないと、彼女のビットを確実に抽出できません。 Z基底状態をX基底で測定すると完全にランダムな結果になり、逆も同様です。基底が鍵への鍵です。

アリスは量子ビットを準備しました。今あなたの番です。

あなたはボブです。 各ラウンドで、アリスは秘密に2つのコインを振り、量子ビットを準備しました。基底 — ZまたはX — を選び、測定してください。結果を記録し、誰とも共有しないでください。

10ラウンドが終わると、アリスは各ラウンドで使った基底を公に発表します。ビットではなく、基底だけ。

あなたの基底選択とアリスのものを比較してください。異なる基底を選んだラウンドはすべて捨てます — 得た測定はランダムで意味がありませんでした。

残ったものが共有鍵です。 アリスは自分の側でまったく同じビットの列を持っています。

あなたたちのどちらもこの鍵を選びませんでした。アリスは自分のビットをランダムに選びました。あなたは自分の基底をランダムに選びました。鍵はたまたま一致したラウンドから生まれました。

でも、誰かが聞いていたらどうでしょう?

イブは各量子ビットをあなたに届く前に傍受します。彼女はあなたと同じ問題があります — アリスの基底を知りません。推測する必要があります。

イブが間違った基底を推測すると、量子ビットを乱します。それを取り消せません。彼女が測定したものに基づいて新しい量子ビットをあなたに送る必要があり、それは完全に間違っているかもしれません。

デモをもう一度実行してください。今回はチャネルにイブがいます。10ラウンドが終わると、アリスは共有鍵の最初の5位置のビットを公に明かします。あなたのものと比較してください。

エラーが見えますか?それがイブの指紋です。彼女が間違った基底を推測したとき、乱された量子ビットを送り、あなたの測定が間違って出ました。

盗聴者のいないクリーンなチャネルでは、エラー率はゼロのはずです。イブの干渉はそれを25%に押し上げます。

サンプルにエラーがなければ盗聴者はいません。鍵は安全です。ワンタイムパッドで使ってメッセージを暗号化してください。

サンプルにエラーがあれば誰かが聞いていました。鍵を捨てて、別のチャネルでやり直してください。

シャノンはワンタイムパッドが完全に安全だと教えてくれました。問題は常に鍵をボブに届けることでした。BB84はそれを解決します — 鍵を触れられないものにするのではなく、あらゆる干渉を検出可能にすることによって。