量子直接通信新進展與應用展望

摘要：量子直接通信是量子通信的重要形式之一，它是指利用量子態(tài)作為信息載體直接進行安全通信的技術(shù)。量子直接通信具有感知和防止竊聽、兼容現(xiàn)有光通信網(wǎng)絡、無需額外部署加密設施等特點，天然適合高密級的數(shù)據(jù)信息傳輸。介紹近年來量子直接通信的新進展，討論量子直接通信在近期條件下的實施特點，展望其應用方向。

0 引言

量子通信泛指那些通過移動量子態(tài)實現(xiàn)信號、信息或量子態(tài)的傳輸和轉(zhuǎn)移的量子技術(shù)[1]。量子通信在保護信息安全，增大信息容量以及提高檢測精度等方面具有突破經(jīng)典通信物理極限的能力，是未來通信技術(shù)的重要發(fā)展方向。量子直接通信是量子通信的重要模式之一，它是指利用量子態(tài)作為信息載體直接進行安全通信的技術(shù)。量子直接通信自2000年[2]被提出以來，經(jīng)過22年的深入研究，已經(jīng)開始走入實用系統(tǒng)研制與推進實用階段。近年來，研究人員相繼在長距離點對點光纖通信[3]、自由空間通信[4]、網(wǎng)絡化[5-6]方面取得了突破性進展，奠定了建設天地一體化量子直接通信網(wǎng)絡的基礎(chǔ)。本文將介紹量子直接通信的最新進展，對其在近期條件下的應用方向進行展望。

1 長距離量子直接通信進展

2022年，清華大學、北京量子信息科學研究院龍桂魯團隊與清華大學陸建華團隊合作設計了一種相位量子態(tài)與time-bin量子態(tài)混合編碼的量子直接通信新系統(tǒng)，成功實現(xiàn)100 km的量子直接通信[3]。這是迄今為止世界上最長的量子直接通信距離，其通信性能的提升主要來源于理論協(xié)議的改進、物理傳輸光路的改進、編碼效率的提升三方面。

原始DL04單光子量子直接通信協(xié)議[7]為了避免竊聽探測之前的信息泄露[8]，使用了量子態(tài)塊傳輸技術(shù)。信息接收方Bob首先向信息發(fā)送方Alice傳輸一定數(shù)量的單光子，在隨機抽樣檢測其中的部分量子態(tài)的安全性后，Alice再將待傳的秘密明文消息調(diào)制到剩余的單光子上進行傳輸。這種塊傳輸技術(shù)需要使用高性能量子存儲器才能實現(xiàn)，目前難以實用。為此，龍桂魯和陸建華團隊將DL04協(xié)議改進為無需量子存儲器（Quantum-Memory-Free，QMF）的延時編碼方案[9-11]，其具體步驟如下。

（1）量子態(tài)制備：Bob隨機地制備4種量子態(tài){|0〉,|1〉,|+〉,|-〉}之一發(fā)送給Alice。{|0〉,|1〉}是Z基的本征態(tài),{|+〉,|-〉}是X基的本征態(tài)。

（2）竊聽檢測：Alice接收到Bob發(fā)送來的量子態(tài)后，隨機地選擇其中一部分量子態(tài)在Z基下進行測量。Alice將測量結(jié)果通過服務信道告知Bob。雙方對比結(jié)果，統(tǒng)計出Z基下的檢測量子比特誤碼率。

（3）信息編碼：Alice根據(jù)先前已傳輸信息幀的信道參數(shù)，使用無量子存儲延時編碼技術(shù)對當前待傳信息進行編碼，得到編碼碼字。

（4）信息調(diào)制：Alice根據(jù)待傳輸?shù)拇a字比特向量子態(tài)施加兩種不同的幺正操作以完成信息加載，并將量子態(tài)回傳給Bob。具體地，當施加操作U0=I=0〉〈0+1〉〈1時，代表向量子態(tài)加載碼字比特0；當施加操作U1=σZ=0〉〈0-1〉〈1時，則代表向量子態(tài)加載碼字比特1。

（5）信息解調(diào)：Bob 對收到的量子態(tài)中制備時為X基成碼態(tài)+〉，-〉的部分做X基下的投影測量，并把測量結(jié)果與制備時作對比，解出Alice的編碼操作，記錄對應的碼字0或1。Bob同時在有探測器觸發(fā)相應的結(jié)果中隨機選取少量結(jié)果與Alice比對，計算并公布成碼用的X基誤碼率。

（6）信息解碼：如果在步驟(3)中使用的糾錯碼可以容忍通信中所有的比特翻轉(zhuǎn)錯誤與損耗，Bob則可以根據(jù)糾錯碼正確解碼，完成當前幀通信。接下來通信雙方可以重復上述步驟繼續(xù)下一幀的通信。如果Bob解碼失敗，則Alice可以調(diào)整糾錯碼的參數(shù)選擇，并重復以上步驟。但如果信道噪聲過大，使得以上編碼方案無法做到同時確保通信的可靠性與安全性，則雙方中止通信。

在該協(xié)議中，所有的消息符號都是分別編碼在每個X基量子態(tài)上，并通過量子信道發(fā)送給 Bob。在與之相配套的物理傳輸光路設計中，time-bin態(tài)作為Z基檢測態(tài)0〉,1〉，大大降低了噪聲影響，而X基成碼態(tài)+〉,-〉為相位態(tài)，往返傳輸具有自補償性能。100 km量子直接通信實驗系統(tǒng)如圖1所示，其中的黑色實線、藍色實線與紅色實線分別代表單模光纖（Single Mode Fiber）、電纜（Cable）與保偏光纖（Polarization Maintaining Fiber）；ATT代表可調(diào)光衰減器；PC代表偏振控制器；ILP代表起偏器；CIR代表保偏環(huán)形器；PM代表相位調(diào)制器；IM代表強度調(diào)制器；ISO代表保偏隔離器；SPD代表超導納米線單光子探測器；Mach-Zehnder Interferometer代表不等臂馬赫-曾德爾干涉儀；PMFC代表保偏分束器；PBS代表偏振分束器；FC代表單模光纖；Service Channel代表服務信道；Quantum Channel代表量子信道；FPGA代表現(xiàn)場可編程邏輯門陣列。

圖1 100 km量子直接通信實驗系統(tǒng)示意圖[3] 100 km量子直接通信實驗系統(tǒng)具有高度的穩(wěn)定性和極低的本征誤碼率（沒有竊聽時的誤碼率），使用具有更強糾錯能力的極低碼率LDBCH編碼，有效提高了安全通信容量、距離和速率。其將量子直接通信距離首次提升至100 km，奠定了無中繼條件下實現(xiàn)城域間點對點量子直接通信的技術(shù)基礎(chǔ)。該成果得到了中央電視臺新聞聯(lián)播、人民日報、新華社、Phys.org等國內(nèi)外主流媒體的密切關(guān)注和宣傳報道。 2 安全中繼組網(wǎng)方案 量子通信走向大規(guī)模應用的基礎(chǔ)是網(wǎng)絡化。2022年，中英學者龍桂魯、潘棟、盛宇波、薛其坤、陸建華、Lajos Hanzo提出了安全中繼（Secure Repeater）網(wǎng)絡方案并進行了實驗演示[5]。安全中繼的原理如圖2所示，其中相距較遠的兩個用戶Alice 和Bob因信道損耗無法進行量子直接通信，借助兩個經(jīng)典中繼節(jié)點R1和R2可將通信距離分成3段，假設距離皆為L/3，并且L/3為量子直接通信所能達到的通信距離，L是Alice到Bob的總距離。實際情況中，這3段距離并不需要完全相等。信息發(fā)送方Alice 選擇一種加密方式對其要發(fā)送的明文進行加密后得到密文，加密方式為后量子密碼等。Alice再選擇一種量子直接通信協(xié)議將密文C通過量子信道傳送給經(jīng)典中繼節(jié)點R1。安全中繼節(jié)點R1在接收到載有密文信息C的量子態(tài)后，將量子態(tài)進行解調(diào)得到密文信息C，安全中繼節(jié)點R1則把得到的密文C再利于量子直接通信協(xié)議傳送給下一節(jié)點R2，如此循環(huán)下去直至密文被傳輸?shù)叫畔⒔邮辗紹ob。Bob獲取密文信息后，使用與 Alice相對應的解密方法對密文進行解密得到明文。

圖2 安全中繼示意圖[5] 在此安全中繼方案中，傳遞的密文信息在各中繼節(jié)點處并不落地解密，即使竊聽方攻破了某一節(jié)點，其得到的也是經(jīng)過加密的密文，無法獲取有效的明文信息，后量子密碼就目前的認知而言可抵御被量子計算機破譯的風險。傳遞的信息在量子通信網(wǎng)絡的各個中繼節(jié)點處是安全的，各個中繼節(jié)點不再要求可信，因此被稱為安全中繼。安全中繼無需可信的經(jīng)典中繼，不需要專人值守等嚴格的物理隔離手段保證場地安全。在安全中繼和下一個站點之間，密文在量子信道中傳送，密文傳送過程具備感知竊聽和防止竊聽的能力，并且通過定量估計信道的安全容量以安全的速率進行傳輸。 安全中繼用量子直接通信和后量子密碼為信息傳輸提供雙重保護，經(jīng)典中繼的信息在后量子密碼保護下具有可抵抗量子計算攻擊的安全性，因而解決了現(xiàn)階段技術(shù)條件下量子通信安全組網(wǎng)的重大世界難題，同時也促進了后量子密碼和量子直接通信兩種技術(shù)的有機融合。該方案利用現(xiàn)有技術(shù)就可以建設具有端對端安全、量子竊聽感知的全球量子通信網(wǎng)絡，具備與現(xiàn)有互聯(lián)網(wǎng)兼容和輔助未來量子互聯(lián)網(wǎng)的優(yōu)點。如圖3所示，安全中繼為現(xiàn)有互聯(lián)網(wǎng)向未來量子互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展提供了無縫隙的邊運行邊升級的技術(shù)路線。因為有了安全中繼量子網(wǎng)絡，量子互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展藍圖由原來的六階段[12]發(fā)展為七階段[5]，即可信中繼網(wǎng)絡（Trusted Repeater Networks）→制備測量網(wǎng)絡（Prepare-and-Measure Networks）→糾纏分發(fā)網(wǎng)絡（Entanglement-Distribution Networks）→安全中繼網(wǎng)絡（Secure Repeater Networks，SRNs）→量子存儲網(wǎng)絡（Quantum Memory Networks）→容錯的少比特網(wǎng)絡（Fault-Tolerant Few Qubit Networks）→量子計算網(wǎng)絡（Quantum Computing Networks）。

圖3 量子互聯(lián)網(wǎng)的七階段路線圖[5]3 近期量子直接通信的情況與應用展望 2016年以來，量子直接通信的研究取得了快速發(fā)展，提出并實現(xiàn)了定量安全性分析[3-4,13-17]、高損信道編碼[3,9,10,13]、無量子存儲編碼[9-11]、掩膜增容[18]等關(guān)鍵技術(shù)。在無量子中繼的近期（Quantum Repeaterless Neart-Term，QRLNT）條件下，量子直接通信依靠現(xiàn)有技術(shù)和器件可以實現(xiàn)城域距離的點對點通信，而安全中繼的提出，使其能夠以多節(jié)點安全經(jīng)典中繼傳輸?shù)男问浇ㄔO大規(guī)模具有端到端安全的廣域量子通信網(wǎng)絡。量子直接通信技術(shù)的特點是在量子信道傳輸信息，可以發(fā)現(xiàn)和阻止竊聽，不泄露信息，具有高度的安全性。量子直接通信技術(shù)的這些特點決定了其潛在的應用場景是高度保密的通信。其將和經(jīng)典保密通信、量子密鑰分發(fā)技術(shù)等一起共建安全的通信體系。由于量子直接通信與現(xiàn)有網(wǎng)絡兼容，可以將通過邊升級性能邊應用的模式推進研究成果落地，分階段應用于政務、金融等領(lǐng)域。

4 結(jié)束語

本文介紹了量子直接通信近年來的最新進展，主要包括100 km長距離量子直接通信系統(tǒng)和安全中繼網(wǎng)絡。高性能點對點長距離量子直接通信與安全中繼相結(jié)合，使得量子直接通信具備了大規(guī)模組網(wǎng)應用的可能。安全中繼促進了量子直接通信和后量子密碼兩種保密通信技術(shù)的有機融合，有利于共建自主安全信息保障體系。

審核編輯 ：李倩