量子直接通信新进展与应用展望

量子直接通信新进展与应用展望

摘要：量子直接通信是量子通信的重要形式之一，它是指利用量子态作为信息载体直接进行安全通信的技术。量子直接通信具有感知和防止窃听、兼容现有光通信网络、无需额外部署加密设施等特点，天然适合高密级的数据信息传输。介绍近年来量子直接通信的新进展，讨论量子直接通信在近期条件下的实施特点，展望其应用方向。

0  引言

量子通信泛指那些通过移动量子态实现信号、信息或量子态的传输和转移的量子技术[1]。量子通信在保护信息安全，增大信息容量以及提高检测精度等方面具有突破经典通信物理极限的能力，是未来通信技术的重要发展方向。量子直接通信是量子通信的重要模式之一，它是指利用量子态作为信息载体直接进行安全通信的技术。量子直接通信自2000年[2]被提出以来，经过22年的深入研究，已经开始走入实用系统研制与推进实用阶段。近年来，研究人员相继在长距离点对点光纤通信[3]、自由空间通信[4]、网络化[5-6]方面取得了突破性进展，奠定了建设天地一体化量子直接通信网络的基础。本文将介绍量子直接通信的最新进展，对其在近期条件下的应用方向进行展望。

1  长距离量子直接通信进展

2022年，清华大学、北京量子信息科学研究院龙桂鲁团队与清华大学陆建华团队合作设计了一种相位量子态与time-bin量子态混合编码的量子直接通信新系统，成功实现100 km的量子直接通信[3]。这是迄今为止世界上最长的量子直接通信距离，其通信性能的提升主要来源于理论协议的改进、物理传输光路的改进、编码效率的提升三方面。

原始DL04单光子量子直接通信协议[7]为了避免窃听探测之前的信息泄露[8]，使用了量子态块传输技术。信息接收方Bob首先向信息发送方Alice传输一定数量的单光子，在随机抽样检测其中的部分量子态的安全性后，Alice再将待传的秘密明文消息调制到剩余的单光子上进行传输。这种块传输技术需要使用高性能量子存储器才能实现，目前难以实用。为此，龙桂鲁和陆建华团队将DL04协议改进为无需量子存储器（Quantum-Memory-Free，QMF）的延时编码方案[9-11]，其具体步骤如下。

（1）量子态制备：Bob随机地制备4种量子态{|0〉,|1〉,|+〉,|-〉}之一发送给Alice。{|0〉,|1〉}是Z基的本征态,{|+〉,|-〉}是X基的本征态。

（2）窃听检测：Alice接收到Bob发送来的量子态后，随机地选择其中一部分量子态在Z基下进行测量。Alice将测量结果通过服务信道告知Bob。双方对比结果，统计出Z基下的检测量子比特误码率。

（3）信息编码：Alice根据先前已传输信息帧的信道参数，使用无量子存储延时编码技术对当前待传信息进行编码，得到编码码字。

（4）信息调制：Alice根据待传输的码字比特向量子态施加两种不同的幺正操作以完成信息加载，并将量子态回传给Bob。具体地，当施加操作U0=I=0〉〈0+1〉〈1时，代表向量子态加载码字比特0；当施加操作U1=σZ=0〉〈0-1〉〈1时，则代表向量子态加载码字比特1。

（5）信息解调：Bob 对收到的量子态中制备时为X基成码态+〉，-〉的部分做X基下的投影测量，并把测量结果与制备时作对比，解出Alice的编码操作，记录对应的码字0或1。Bob同时在有探测器触发相应的结果中随机选取少量结果与Alice比对，计算并公布成码用的X基误码率。

（6）信息解码：如果在步骤(3)中使用的纠错码可以容忍通信中所有的比特翻转错误与损耗，Bob则可以根据纠错码正确解码，完成当前帧通信。接下来通信双方可以重复上述步骤继续下一帧的通信。如果Bob解码失败，则Alice可以调整纠错码的参数选择，并重复以上步骤。但如果信道噪声过大，使得以上编码方案无法做到同时确保通信的可靠性与安全性，则双方中止通信。

在该协议中，所有的消息符号都是分别编码在每个X基量子态上，并通过量子信道发送给 Bob。在与之相配套的物理传输光路设计中，time-bin态作为Z基检测态0〉,1〉，大大降低了噪声影响，而X基成码态+〉,-〉为相位态，往返传输具有自补偿性能。100 km量子直接通信实验系统如图1所示，其中的黑色实线、蓝色实线与红色实线分别代表单模光纤（Single Mode Fiber）、电缆（Cable）与保偏光纤（Polarization Maintaining Fiber）；ATT代表可调光衰减器；PC代表偏振控制器；ILP代表起偏器；CIR代表保偏环形器；PM代表相位调制器；IM代表强度调制器；ISO代表保偏隔离器；SPD代表超导纳米线单光子探测器；Mach-Zehnder Interferometer代表不等臂马赫-曾德尔干涉仪；PMFC代表保偏分束器；PBS代表偏振分束器；FC代表单模光纤；Service Channel代表服务信道；Quantum Channel代表量子信道；FPGA代表现场可编程逻辑门阵列。

图1  100 km量子直接通信实验系统示意图[3]  100 km量子直接通信实验系统具有高度的稳定性和极低的本征误码率（没有窃听时的误码率），使用具有更强纠错能力的极低码率LDBCH编码，有效提高了安全通信容量、距离和速率。其将量子直接通信距离首次提升至100 km，奠定了无中继条件下实现城域间点对点量子直接通信的技术基础。该成果得到了中央电视台新闻联播、人民日报、新华社、Phys.org等国内外主流媒体的密切关注和宣传报道。  2  安全中继组网方案  量子通信走向大规模应用的基础是网络化。2022年，中英学者龙桂鲁、潘栋、盛宇波、薛其坤、陆建华、Lajos Hanzo提出了安全中继（Secure Repeater）网络方案并进行了实验演示[5]。安全中继的原理如图2所示，其中相距较远的两个用户Alice 和Bob因信道损耗无法进行量子直接通信，借助两个经典中继节点R1和R2可将通信距离分成3段，假设距离皆为L/3，并且L/3为量子直接通信所能达到的通信距离，L是Alice到Bob的总距离。实际情况中，这3段距离并不需要完全相等。信息发送方Alice 选择一种加密方式对其要发送的明文进行加密后得到密文，加密方式为后量子密码等。Alice再选择一种量子直接通信协议将密文C通过量子信道传送给经典中继节点R1。安全中继节点R1在接收到载有密文信息C的量子态后，将量子态进行解调得到密文信息C，安全中继节点R1则把得到的密文C再利于量子直接通信协议传送给下一节点R2，如此循环下去直至密文被传输到信息接收方Bob。Bob获取密文信息后，使用与 Alice相对应的解密方法对密文进行解密得到明文。

图2  安全中继示意图[5]  在此安全中继方案中，传递的密文信息在各中继节点处并不落地解密，即使窃听方攻破了某一节点，其得到的也是经过加密的密文，无法获取有效的明文信息，后量子密码就目前的认知而言可抵御被量子计算机破译的风险。传递的信息在量子通信网络的各个中继节点处是安全的，各个中继节点不再要求可信，因此被称为安全中继。安全中继无需可信的经典中继，不需要专人值守等严格的物理隔离手段保证场地安全。在安全中继和下一个站点之间，密文在量子信道中传送，密文传送过程具备感知窃听和防止窃听的能力，并且通过定量估计信道的安全容量以安全的速率进行传输。   安全中继用量子直接通信和后量子密码为信息传输提供双重保护，经典中继的信息在后量子密码保护下具有可抵抗量子计算攻击的安全性，因而解决了现阶段技术条件下量子通信安全组网的重大世界难题，同时也促进了后量子密码和量子直接通信两种技术的有机融合。该方案利用现有技术就可以建设具有端对端安全、量子窃听感知的全球量子通信网络，具备与现有互联网兼容和辅助未来量子互联网的优点。如图3所示，安全中继为现有互联网向未来量子互联网的发展提供了无缝隙的边运行边升级的技术路线。因为有了安全中继量子网络，量子互联网的发展蓝图由原来的六阶段[12]发展为七阶段[5]，即可信中继网络（Trusted Repeater Networks）→制备测量网络（Prepare-and-Measure Networks）→纠缠分发网络（Entanglement-Distribution Networks）→安全中继网络（Secure Repeater Networks，SRNs）→量子存储网络（Quantum Memory Networks）→容错的少比特网络（Fault-Tolerant Few Qubit Networks）→量子计算网络（Quantum Computing Networks）。

图3  量子互联网的七阶段路线图[5] 3  近期量子直接通信的情况与应用展望  2016年以来，量子直接通信的研究取得了快速发展，提出并实现了定量安全性分析[3-4,13-17]、高损信道编码[3,9,10,13]、无量子存储编码[9-11]、掩膜增容[18]等关键技术。在无量子中继的近期（Quantum Repeaterless Neart-Term，QRLNT）条件下，量子直接通信依靠现有技术和器件可以实现城域距离的点对点通信，而安全中继的提出，使其能够以多节点安全经典中继传输的形式建设大规模具有端到端安全的广域量子通信网络。量子直接通信技术的特点是在量子信道传输信息，可以发现和阻止窃听，不泄露信息，具有高度的安全性。量子直接通信技术的这些特点决定了其潜在的应用场景是高度保密的通信。其将和经典保密通信、量子密钥分发技术等一起共建安全的通信体系。由于量子直接通信与现有网络兼容，可以将通过边升级性能边应用的模式推进研究成果落地，分阶段应用于政务、金融等领域。  
   
      4  结束语 

      本文介绍了量子直接通信近年来的最新进展，主要包括100 km长距离量子直接通信系统和安全中继网络。高性能点对点长距离量子直接通信与安全中继相结合，使得量子直接通信具备了大规模组网应用的可能。安全中继促进了量子直接通信和后量子密码两种保密通信技术的有机融合，有利于共建自主安全信息保障体系。  

       审核编辑 ：李倩