世界最長！量子直接通信距離達100公里

文／本刊記者 史 詩

100公里光纖！這是當前世界最長的量子直接通信距離，刷新了之前的18公里紀錄。

近日，北京量子信息科學研究院、清華大學龍桂魯教授團隊和陸建華教授團隊合作，設計和實現了一種相位量子態與時間戳量子態混合編碼的量子直接通信新系統，通信距離刷新世界紀錄。

這樣的指標可以在無中繼條件下實現一些城市之間的點對點量子直接通信，同時可以支撐基于安全經典中繼的廣域量子網絡的一些應用。

安全通信容量和速率大大提升

量子通信是把傳統通信的光強度等經典物理量換成量子領域里獨有的光量子態。量子態與常規物理量不同，不能被復制，每被測量一次都可能會變化，導致結果不盡相同。若有人竊聽，就會造成誤碼率顯著上升，從而被發現。經典的物理量則沒有這種性質，因此經典保密通信過程無法感知竊聽，而且也不需要感知竊聽。

相較之下，量子直接通信無需密鑰，靠檢測通信中的誤碼率監測竊聽情況，估算安全容量，選取相應的糾錯碼來實現安全可靠通信。龍桂魯介紹，此前系統中抽樣檢測和信息傳輸均采用相位量子態，新系統則采用相位量子態和時間戳量子態的混合編碼。時間戳量子態用于抽樣檢測，能大幅降低噪聲的影響，而通信部分依然采用具有自補償性能的相位量子態，具有高度的穩定性和極低的本征誤碼率（沒有竊聽時的誤碼率），結合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，將最大可容忍損耗從5.1dB提升到18.4dB；其通信速率也得到了提升，在30公里光纖距離下通信速率達22.4kbps。

竊聽和噪聲并存信道下的安全和可靠通信

我們已知的通信方式滿足著名的香農定理。科學家香農所建的通信模型給出噪聲信道下的信道容量，這個容量就是噪聲信道的最高可靠傳輸速率。

經典通信只管信息的可靠傳輸，不管通信是否安全。這時，密碼學派上用場，采用數學變換把要傳輸的信息打亂，使竊聽者看不懂。而量子直接通信則在可靠通信的基礎上，進一步賦能安全特性，形成在噪聲和竊聽信道下的可靠和安全通信的新模式。

隨著現代密碼分析、超算計算機和量子計算機的發展，部分密碼算法的安全受到了嚴重威脅。為了應對這一威脅，發展了兩種方法。一種是從經典密碼學里發展的抗量子密碼；另一種就是量子保密通信，量子直接通信是其中一種。

2000年，龍桂魯團隊提出量子直接通信的首個協議，并相繼于2003年和2004年提出第二、第三個協議。量子直接通信改變了傳統保密通信密鑰分發和密文傳輸的雙信道結構，只需一個量子通道。量子直接通信把香農定理保證的噪聲信道下的可靠通信進行了拓展。

安全中繼量子網絡亟待建設

實用化的量子直接通信還有多遠？

2016年以來，清華大學和北京量子信息科學研究院的聯合團隊合作，提出了多種關鍵技術，解決了量子直接通信實用化中的一些關鍵難題。

2020年，北京量子信息科學研究院和清華大學聯合團隊發布了世界首款實用化量子直接通信樣機，實現了10公里光纖中4kbps的通信速率；同年他們將通信距離進一步提升到了18公里。

2021年11月，《北京市“十四五”時期國際科技創新中心建設規劃》明確提出在“十四五”期間，北京將建成基于安全中繼的城際量子示范網絡。安全中繼就是把量子直接通信和抗量子密碼結合，用量子直接通信傳輸抗量子密碼加密后的密文，這樣在經典中繼節點，信息受到抗量子密碼的保護；在通信鏈路，信息得到量子的保護，從而給網絡提供了端對端的安全性。新系統為建設這一示范網絡打下堅實基礎。

為實現更遠距離的量子通信，龍桂魯透露，未來，團隊利用最近北京量子信息科學研究院、清華大學、南京郵電大學、南方科技大學和南安普頓大學等中英學者聯合提出的經典安全中繼組網技術，建設廣域的具有端對端安全的安全中繼量子網絡，可以支撐多種應用。