量子直接通信新進(jìn)展與應(yīng)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(jìn)行安全通信的技術(shù)。量子直接通信具有感知和防止竊聽(tīng)、兼容現(xiàn)有光通信網(wǎng)絡(luò)、無(wú)需額外部署加密設(shè)施等特點(diǎn)，天然適合高密級(jí)的數(shù)據(jù)信息傳輸。介紹近年來(lái)量子直接通信的新進(jìn)展，討論量子直接通信在近期條件下的實(shí)施特點(diǎn)，展望其應(yīng)用方向。

0 引言

量子通信泛指那些通過(guò)移動(dòng)量子態(tài)實(shí)現(xiàn)信號(hào)、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(hù)信息安全，增大信息容量以及提高檢測(cè)精度等方面具有突破經(jīng)典通信物理極限的能力，是未來(lái)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(jìn)行安全通信的技術(shù)。量子直接通信自2000年[2]被提出以來(lái)，經(jīng)過(guò)22年的深入研究，已經(jīng)開(kāi)始走入實(shí)用系統(tǒng)研制與推進(jìn)實(shí)用階段。近年來(lái)，研究人員相繼在長(zhǎng)距離點(diǎn)對(duì)點(diǎn)光纖通信[3]、自由空間通信[4]、網(wǎng)絡(luò)化[5-6]方面取得了突破性進(jìn)展，奠定了建設(shè)天地一體化量子直接通信網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)。本文將介紹量子直接通信的最新進(jìn)展，對(duì)其在近期條件下的應(yīng)用方向進(jìn)行展望。

1 長(zhǎng)距離量子直接通信進(jìn)展

2022年，清華大學(xué)、北京量子信息科學(xué)研究院龍桂魯團(tuán)隊(duì)與清華大學(xué)陸建華團(tuán)隊(duì)合作設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)100 km的量子直接通信[3]。這是迄今為止世界上最長(zhǎng)的量子直接通信距離，其通信性能的提升主要來(lái)源于理論協(xié)議的改進(jìn)、物理傳輸光路的改進(jìn)、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(tīng)探測(cè)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(jī)抽樣檢測(cè)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(jìn)行傳輸。這種塊傳輸技術(shù)需要使用高性能量子存儲(chǔ)器才能實(shí)現(xiàn)，目前難以實(shí)用。為此，龍桂魯和陸建華團(tuán)隊(duì)將DL04協(xié)議改進(jìn)為無(wú)需量子存儲(chǔ)器（Quantum-Memory-Free，QMF）的延時(shí)編碼方案[9-11]，其具體步驟如下。

（1）量子態(tài)制備：Bob隨機(jī)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(tīng)檢測(cè)：Alice接收到Bob發(fā)送來(lái)的量子態(tài)后，隨機(jī)地選擇其中一部分量子態(tài)在Z基下進(jìn)行測(cè)量。Alice將測(cè)量結(jié)果通過(guò)服務(wù)信道告知Bob。雙方對(duì)比結(jié)果，統(tǒng)計(jì)出Z基下的檢測(cè)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(wú)量子存儲(chǔ)延時(shí)編碼技術(shù)對(duì)當(dāng)前待傳信息進(jìn)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(dāng)施加操作U0=I=0〉〈0+1〉〈1時(shí)，代表向量子態(tài)加載碼字比特0；當(dāng)施加操作U1=σZ=0〉〈0-1〉〈1時(shí)，則代表向量子態(tài)加載碼字比特1。

（5）信息解調(diào)：Bob 對(duì)收到的量子態(tài)中制備時(shí)為X基成碼態(tài)+〉，-〉的部分做X基下的投影測(cè)量，并把測(cè)量結(jié)果與制備時(shí)作對(duì)比，解出Alice的編碼操作，記錄對(duì)應(yīng)的碼字0或1。Bob同時(shí)在有探測(cè)器觸發(fā)相應(yīng)的結(jié)果中隨機(jī)選取少量結(jié)果與Alice比對(duì)，計(jì)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(cuò)碼可以容忍通信中所有的比特翻轉(zhuǎn)錯(cuò)誤與損耗，Bob則可以根據(jù)糾錯(cuò)碼正確解碼，完成當(dāng)前幀通信。接下來(lái)通信雙方可以重復(fù)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(cuò)碼的參數(shù)選擇，并重復(fù)以上步驟。但如果信道噪聲過(guò)大，使得以上編碼方案無(wú)法做到同時(shí)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(hào)都是分別編碼在每個(gè)X基量子態(tài)上，并通過(guò)量子信道發(fā)送給 Bob。在與之相配套的物理傳輸光路設(shè)計(jì)中，time-bin態(tài)作為Z基檢測(cè)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(bǔ)償性能。100 km量子直接通信實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示，其中的黑色實(shí)線、藍(lán)色實(shí)線與紅色實(shí)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(qiáng)度調(diào)制器；ISO代表保偏隔離器；SPD代表超導(dǎo)納米線單光子探測(cè)器；Mach-Zehnder Interferometer代表不等臂馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x；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(wù)信道；Quantum Channel代表量子信道；FPGA代表現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯門(mén)陣列。

圖1 100 km量子直接通信實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖[3] 100 km量子直接通信實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)具有高度的穩(wěn)定性和極低的本征誤碼率（沒(méi)有竊聽(tīng)時(shí)的誤碼率），使用具有更強(qiáng)糾錯(cuò)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(wú)中繼條件下實(shí)現(xiàn)城域間點(diǎn)對(duì)點(diǎn)量子直接通信的技術(shù)基礎(chǔ)。該成果得到了中央電視臺(tái)新聞聯(lián)播、人民日?qǐng)?bào)、新華社、Phys.org等國(guó)內(nèi)外主流媒體的密切關(guān)注和宣傳報(bào)道。 2 安全中繼組網(wǎng)方案 量子通信走向大規(guī)模應(yīng)用的基礎(chǔ)是網(wǎng)絡(luò)化。2022年，中英學(xué)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(luò)方案并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)演示[5]。安全中繼的原理如圖2所示，其中相距較遠(yuǎn)的兩個(gè)用戶Alice 和Bob因信道損耗無(wú)法進(jìn)行量子直接通信，借助兩個(gè)經(jīng)典中繼節(jié)點(diǎn)R1和R2可將通信距離分成3段，假設(shè)距離皆為L(zhǎng)/3，并且L/3為量子直接通信所能達(dá)到的通信距離，L是Alice到Bob的總距離。實(shí)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(duì)其要發(fā)送的明文進(jìn)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(guò)量子信道傳送給經(jīng)典中繼節(jié)點(diǎn)R1。安全中繼節(jié)點(diǎn)R1在接收到載有密文信息C的量子態(tài)后，將量子態(tài)進(jìn)行解調(diào)得到密文信息C，安全中繼節(jié)點(diǎn)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(diǎn)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(duì)應(yīng)的解密方法對(duì)密文進(jìn)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(diǎn)處并不落地解密，即使竊聽(tīng)方攻破了某一節(jié)點(diǎn)，其得到的也是經(jīng)過(guò)加密的密文，無(wú)法獲取有效的明文信息，后量子密碼就目前的認(rèn)知而言可抵御被量子計(jì)算機(jī)破譯的風(fēng)險(xiǎn)。傳遞的信息在量子通信網(wǎng)絡(luò)的各個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)處是安全的，各個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)不再要求可信，因此被稱(chēng)為安全中繼。安全中繼無(wú)需可信的經(jīng)典中繼，不需要專(zhuān)人值守等嚴(yán)格的物理隔離手段保證場(chǎng)地安全。在安全中繼和下一個(gè)站點(diǎn)之間，密文在量子信道中傳送，密文傳送過(guò)程具備感知竊聽(tīng)和防止竊聽(tīng)的能力，并且通過(guò)定量估計(jì)信道的安全容量以安全的速率進(jìn)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(hù)，經(jīng)典中繼的信息在后量子密碼保護(hù)下具有可抵抗量子計(jì)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(shí)也促進(jìn)了后量子密碼和量子直接通信兩種技術(shù)的有機(jī)融合。該方案利用現(xiàn)有技術(shù)就可以建設(shè)具有端對(duì)端安全、量子竊聽(tīng)感知的全球量子通信網(wǎng)絡(luò)，具備與現(xiàn)有互聯(lián)網(wǎng)兼容和輔助未來(lái)量子互聯(lián)網(wǎng)的優(yōu)點(diǎn)。如圖3所示，安全中繼為現(xiàn)有互聯(lián)網(wǎng)向未來(lái)量子互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展提供了無(wú)縫隙的邊運(yùn)行邊升級(jí)的技術(shù)路線。因?yàn)橛辛税踩欣^量子網(wǎng)絡(luò)，量子互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展藍(lán)圖由原來(lái)的六階段[12]發(fā)展為七階段[5]，即可信中繼網(wǎng)絡(luò)（Trusted Repeater Networks）→制備測(cè)量網(wǎng)絡(luò)（Prepare-and-Measure Networks）→糾纏分發(fā)網(wǎng)絡(luò)（Entanglement-Distribution Networks）→安全中繼網(wǎng)絡(luò)（Secure Repeater Networks，SRNs）→量子存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)（Quantum Memory Networks）→容錯(cuò)的少比特網(wǎng)絡(luò)（Fault-Tolerant Few Qubit Networks）→量子計(jì)算網(wǎng)絡(luò)（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(yīng)用展望 2016年以來(lái)，量子直接通信的研究取得了快速發(fā)展，提出并實(shí)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(wú)量子存儲(chǔ)編碼[9-11]、掩膜增容[18]等關(guān)鍵技術(shù)。在無(wú)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(shí)現(xiàn)城域距離的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信，而安全中繼的提出，使其能夠以多節(jié)點(diǎn)安全經(jīng)典中繼傳輸?shù)男问浇ㄔO(shè)大規(guī)模具有端到端安全的廣域量子通信網(wǎng)絡(luò)。量子直接通信技術(shù)的特點(diǎn)是在量子信道傳輸信息，可以發(fā)現(xiàn)和阻止竊聽(tīng)，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(diǎn)決定了其潛在的應(yīng)用場(chǎng)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(luò)兼容，可以將通過(guò)邊升級(jí)性能邊應(yīng)用的模式推進(jìn)研究成果落地，分階段應(yīng)用于政務(wù)、金融等領(lǐng)域。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了量子直接通信近年來(lái)的最新進(jìn)展，主要包括100 km長(zhǎng)距離量子直接通信系統(tǒng)和安全中繼網(wǎng)絡(luò)。高性能點(diǎn)對(duì)點(diǎn)長(zhǎng)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(yīng)用的可能。安全中繼促進(jìn)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(jī)融合，有利于共建自主安全信息保障體系。

審核編輯 ：李倩