近日，北京量子信息科學(xué)研究院（以下簡稱“量子院”）與清華大學(xué)、北方工業(yè)大學(xué)相關(guān)團(tuán)隊(duì)合作，提出單向量子直接通信理論，并成功研制出實(shí)用化系統(tǒng)，創(chuàng)造了[email protected]@168 小時的長距離穩(wěn)定傳輸世界紀(jì)錄。2025年2月21日，相關(guān)成果以“Simultaneous transmission of information and key exchange using the same photonic quantum states”為題發(fā)表在國際知名期刊《Science Advances》上，標(biāo)志著量子直接通信從理論構(gòu)想成功邁向?qū)嶋H應(yīng)用階段。

量子直接通信：構(gòu)筑信息安全新防線

量子直接通信由清華大學(xué)龍桂魯團(tuán)隊(duì)原創(chuàng)提出，它借助量子態(tài)實(shí)現(xiàn)安全通信，具有竊聽感知、阻止竊聽、兼容現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)、簡化管理流程以及隱蔽傳輸?shù)任宕筇匦浴Ｔ谛畔踩找嬷匾漠?dāng)下，量子直接通信為保障信息傳輸安全提供了全新解決方案。

突破技術(shù)瓶頸，實(shí)現(xiàn)從理論到現(xiàn)實(shí)的飛躍

如何利用能量極低且極易受干擾的量子態(tài)，在高噪聲、高損耗以及存在竊聽風(fēng)險的量子信道中實(shí)現(xiàn)安全可靠的通信，一直是該領(lǐng)域亟待攻克的核心難題。此前采用的雙向協(xié)議，通信雙方需進(jìn)行量子態(tài)的往返傳輸，致使系統(tǒng)損耗極大，嚴(yán)重制約了通信性能的提升。

量子院團(tuán)隊(duì)此前曾在2022年創(chuàng)造了100 公里的量子直接通信世界紀(jì)錄，但速率僅為0.5bps，僅能傳輸字?jǐn)?shù)極少的報文。單向傳輸可將量子態(tài)傳輸距離縮短一半，大幅降低損耗，是提升量子直接通信性能的關(guān)鍵。然而此前，國際上多個團(tuán)隊(duì)（包括量子院團(tuán)隊(duì)）提出的單向量子直接通信方案，僅在無損耗的理想條件下可行，在高損耗和高噪聲的現(xiàn)實(shí)環(huán)境中開展單向量子直接通信困難重重。

針對這些問題，研究團(tuán)隊(duì)在龍桂魯教授領(lǐng)銜下，成功突破了高噪高損信道編碼、信道掩碼增容、高速量子態(tài)調(diào)制解調(diào)等系列關(guān)鍵技術(shù)，提出單向量子直接通信理論方法，利用同一組光量子態(tài)同時實(shí)現(xiàn)了信息的安全傳輸與密鑰協(xié)商。這一突破不僅成功解決了量子直接通信的技術(shù)難題，還完成了實(shí)用化通信端機(jī)的研制。在104.8km標(biāo)準(zhǔn)光纖通信實(shí)驗(yàn)測試中，實(shí)現(xiàn)了連續(xù)168小時、速率為2.38kbps的穩(wěn)定傳輸，與2022年的系統(tǒng)相比，速率提升了4760倍，極大地提升了量子直接通信的性能。

該項(xiàng)研究成果開啟了量子直接通信實(shí)用化建設(shè)的新征程。未來，量子直接通信系統(tǒng)有望廣泛應(yīng)用于政務(wù)、金融等對信息安全要求極高的領(lǐng)域，切實(shí)增強(qiáng)通信安全性。

圖1 單向量子直接通信理論方案

圖2 信息傳輸速率與量子比特誤碼率測試結(jié)果

該論文共同第一作者為量子院助理研究員潘棟、量子院/清華大學(xué)博士生劉雨辰，通訊作者為量子院科研副院長/清華大學(xué)教授龍桂魯，合作者還包括量子院牛鵬皓、張浩然、張飛昊、王敏、宋蕭天、陳秀偉，以及北方工業(yè)大學(xué)教授鄭超。該研究得到了北京市、國家自然科學(xué)基金、低維量子物理國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、中國科協(xié)青年托舉計劃等支持。