信息技术

从狼烟烽火到飞鸽传信，再到如今的电子通信，人类借助科技的力量让通信的距离越来越远。

100公里光纤！这是当前世界最长的量子直接通信距离，刷新了之前的18公里纪录。

近日，北京量子信息科学研究院（简称北京量子院）、清华大学龙桂鲁教授团队和陆建华教授团队合作，设计和实现了一种相位量子态与时间戳量子态混合编码的量子直接通信新系统，通信距离刷新世界纪录。

清华大学龙桂鲁教授

这样的指标可以在无中继条件下实现一些城市之间的点对点量子直接通信，同时可以支撑基于安全经典中继的广域量子网络的一些应用。

安全通信容量和速率大大提升

量子通信是把传统通信的光强度等经典物理量换成量子领域里独有的光量子态。量子态与常规物理量不同，不能被复制，每被测量一次都可能会变化，导致结果不尽相同。若有人窃听，就会造成误码率显著上升，从而被发现。经典的物理量则没有这种性质，因此经典保密通信过程无法发现窃听。

量子直接通信新系统原理示意图

相较之下，量子直接通信无需密钥，靠检测通信中的误码率监测窃听情况，估算安全容量，选取相应的纠错码来实现安全可靠通信。龙桂鲁介绍，此前系统中抽样检测和信息传输均采用相位量子态，新系统则采用相位量子态和时间戳量子态的混合编码。时间戳量子态用于抽样检测，能大幅降低噪声的影响，而通信部分依然采用具有自补偿性能的相位量子态，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），结合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，将最大可容忍损耗从5.1分贝提升到18.4分贝；其通信速率也得到了提升，在30公里光纤距离下通信速率达22.4kbps。

窃听和噪声并存信道下的

安全和可靠通信

我们已知的通信方式满足著名的香农定理。科学家香农所建的通信模型给出噪声信道下的信道容量，这个容量就是噪声信道的最高可靠传输速率。

经典通信只管信息的可靠传输，不管通信是否安全。这时，密码学派上用场，采用数学变换把要传输的信息打乱，使窃听者看不懂。而量子直接通信则在可靠通信的基础上，进一步赋能安全特性，形成在噪声和窃听信道下的可靠和安全通信的新模式。

随着现代密码分析、超算计算机和量子计算机的发展，部分密码算法的安全受到了严重威胁。为了应对这一威胁，发展了两种方法。一种是从经典密码学里发展的抗量子密码；另一种就是量子保密通信，量子直接通信是其中一种。

2000年，龙桂鲁团队提出量子直接通信的首个协议，并相继于2003年和2004年提出第二、第三个协议。量子直接通信改变了传统保密通信密钥分发和密文传输的双信道结构，只需一个量子通道。量子直接通信把香农理论保证的噪声信道下的可靠通信进行了拓展。

安全中继量子网络亟待建设

实用化的量子直接通信还有多远？

2016年以来，清华大学和北京量子信息科学研究院的联合团队合作，提出了多种关键技术，解决了量子直接通信实用化中的一些关键难题。

2020年，北京量子院和清华大学联合团队发布了世界首款实用化量子直接通信样机，实现了10公里光纤中4kbps的通信速率；同年他们将通信距离进一步提升到了18公里。

2021年11月，《北京市“十四五”时期国际科技创新中心建设规划》明确提出在“十四五”期间，北京将建成基于安全中继的城际量子示范网络。安全中继就是把量子直接通信和抗量子密码结合，用量子直接通信传输抗量子密码加密后的密文，这样在经典中继节点，信息受到抗量子密码的保护；在通信链路，信息得到量子的保护，从而给网络提供了端对端的安全性。新系统为建设这一示范网络打下坚实基础。

为实现更远距离的量子通信，龙桂鲁透露，未来，团队利用最近北京量子信息科学研究院、清华大学、南京邮电大学、南方科技大学和英国南安普顿大学等中英学者联合提出的经典安全中继组网技术，建设广域的具有端对端安全的安全中继量子网络，可以支撑多种应用。

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