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user: 3. QSDC最新进展研究 3.1. QSDC理论方案研究 现有量子安全直接通信方案根据加载信息的载体不同，可大致分为两类，一类是基于单光子的QSDC方案，另一类则是基于纠缠粒子的QSDC方案。信息载体不同使得方案的安全性、有效性、实用性均有一定程度的差异，引领着量子安全直接通信在不同方向的发展。 最早提出利用单光子作为信息载体的安全直接通信方案是2003年邓富国、龙贵鲁等人提出的一次一密QSDC方案，该方案可利用块传输、分布传输方法保证通信安全 [ 4 ]；此后，有关单光子的QSDC理论方案逐步成熟完善，得到了一定程度的发展。2007年，王剑等人利用单光子序列的顺序重排提出了多方控制的QSDC方案，在所有控制方都同意的情况下，接收方才可读取机密信息 [ 23 ]；同年，邓富国等人提出了基于单光子的经济型QSDC网络方案 [ 25 ]。2008年，北京邮电大学王天银等人针对王剑等人提出的多方控制QSDC方案的缺陷，提出了改进方案并分析发现其能抵抗一种新的伪信号替换攻击 [ 26 ]。2009年，南京信息工程大学刘文杰等人提出了基于互认证的三维单光子QSDC方案，通过定义特定的酉算子与非正交测量基可使系统信息传输率很高 [ 27 ]。2012年，西安电子科技大学刘丹等人提出了利用极化单光子和EPR纠缠对的QSDC方案，其中极化单光子用于身份认证、检测是否存在窃听，EPR纠缠对用于传输机密信息 [ 28 ]。2013年，西安电子科技大学易运晖等人提出了基于单光子的随机多元基QSDC方案，利用单光子的随机多元基偏振校正方案，可完成各个偏振角度误差的补偿，通过延时可解决多态协议匹配率低的问题，方案保密性更好，通信距离更远 [ 29 ]；北京邮电大学孙越等人提出了基于单光子态自避错传输的QSDC方案，可一定程度上抵抗信道中的联合噪声 [ 30 ]。在基于单光子的量子安全直接通信方案兴起不久，方案逐步由简单利用单光子编码信息向利用单光子顺序重排、单光子高维度、高容量发展转变，这使系统中有关单光子的信息得到了最大化利用，在实现安全直接通信的基础上，还可实现复杂的身份认证，防止中间人攻击。但单光子编码机密信息的容量较低，会导致系统的通信效率低下，因此在2010年之后基于单光子的QSDC理论方案提出较少，研究逐步转向基于单光子的实验验证方面。 目前大多数QSDC方案是基于纠缠态的，这也是最早提出的完整的两步QSDC方案所采用的量子态。2005年，北京师范大学王川等人提出了高维度系统超密集编码QSDC方案 [ 31 ] 和基于多粒子系统的多步QSDC模型 [ 32 ]。2006年，满忠晓等人提出了利用GHZ态和纠缠交换的QSDC方案 [ 33 ]。2007年，河北师范大学闫凤利等人提出了一种利用量子隐形传态技术实现的QSDC方案，通过Controlled-NOT (CNOT)门、本地测量和经典通信交换可安全地传输机密信息；满忠晓等人提出了基于量子纠缠转移技术的双向QSDC方案，两个合法通信方可同时交换机密信息 [ 34 ]；王剑等人提出了利用GHZ纠缠态实现的多方控制的QSDC方案 [ 35 ]。2008年，林崧等人提出了基于χ型纠缠态的QSDC方案，方案利用密集编码技术可提高通信效率 [ 7 ]。2011年，北京师范大学王铁军等人首次提出了基于光子对两自由度超纠缠Bell态的高容量QSDC方案 [ 36 ]。2013年，江西师范大学徐越等人提出了基于4粒子纠缠态的QSDC方案，携带机密的粒子无需在公共信道上传输 [ 37 ]。2014年，北京邮电大学徐淑奖等人提出了基于二粒子的Grover搜索算法特性的QSDC方案，方案安全性较高 [ 38 ]。2015年，天津工业大学孔令浩等人提出了基于双向量子隐形传态的双向QSDC方案，方案无需传输携带机密的量子比特，系统安全性有所提高 [ 39 ]。2016年，西北大学曹正文等人提出了基于Bell态粒子和单光子混合的QSDC方案，方案的编码规则会导致部分信息泄露 [ 40 ]，2017年，南京信息工程大学刘志昊等人通过稍加改变编码规则提出了改进方案，可保证信息的高效安全传输 [ 41 ]。2017年，解放军理工工程学院翁鹏飞等人提出了基于d维Bell纠缠态的QSDC方案，传输效率高、窃听探测率也高 [ 42 ]；同年，翁鹏飞等人弥补了昌燕等人于2015年提出的基于三粒子w态蜜罐的受控QSDC方案的缺陷，提出了w态高维QSDC改进方案 [ 43 ]。基于纠缠态的QSDC方案不断突破创新，由最开始基于EPR光子对的两粒子纠缠逐步向三粒子GHZ态、四粒子、五粒子团簇态高维发展；同时利用纠缠粒子充当量子信道、通过测量可避免机密信息的传输，系统安全性得到加强；多粒子纠缠还可一定程度上提高编码容量，从而提高传输效率。基于纠缠态的QSDC理论方案成为了研究开发的重点，下一阶段在不断探索利用量子特性、量子力学基本原理的基础上，基于纠缠粒子的方案会进一步增多，逐步完善双向通信、多方可认证等功能，实现大跨越发展。 除上述两大类方案外，2006年，国家信息中心吕欣等人提出了基于CSS纠错码的QSDC方案，无需建立量子信道，也不需传送经典辅助信息，安全性基于图灵机不能有效求解NP完全问题 [ 44 ]。2017年，翁鹏飞等人提出了实际噪声中基于量子纠错码的量子网络直接通信方案，但系统仍需选取w态粒子作为控制比特、传输机密信息的粒子作为目标比特，通过量子纠缠实现完整的通信过程 [ 45 ]。QSDC方案理论体系不断成熟完善，逐年创新发展，为进一步深入探索QSDC的实验实用化研究提供了必要的先决条件。 3.2. QSDC实验进展研究 量子安全直接通信的理论研究是要为实验验证服务的。近几年，随着技术的不断创新，实验验证量子安全直接通信相关理论取得了初步进展，效果明显，具有很好的实际应用价值，对下一阶段深入实验探索具有重要指导作用。 3.2.1. 基于单光子的实验方案 2016年，肖连团等人实验实现了DL04方案 [ 21 ]，该方案有别于理论方案，实验并没有利用幺正操作单独编码一比特信息，而是将光子序列分成不同长度的数据块，发送方依据周期函数对每一光子块进行相同的幺正操作，利用被调制的光子序列在频域内的统计特性将信息编码在光子序列的频谱上，不同调制频率对应不同比特数的序列块。完成单光子频率编码，便可抵抗一定强度的损耗和噪声、减少错误，弥补光纤损耗、单光子探测器并不完美等实验缺陷，增强系统的稳定性。第一次安全性检测后，接收方只要收到调制频谱，利用离散时间傅里叶变换便可准确计算出调制频率。依据调制频率中的频谱线，接收方就能得到被编码的频率，从而读出机密信息。 基于单光子频谱多自由度的特性，实验还实现了量子安全直接通信的多通道信息传输。对于给定的 通信系统，利用公式 N c = f max − f min f b + 1 ，可得到最大信道数量 N c ，其中 f max 、 f min 分别是最大、最小调制频率， f b 是信道间隔。信息传输能力依赖于频率组成，假设发送方在一个单光子块上负载r个频率，有效自由度便是在 N c 个频率信道上r个频率的不同组合数 N max = N c ! r ! ( N c − r ) ! ，这意味着一个单光子块可携带 b = log 2 N max 比特的信息，信息传输率可扩展为 I = b T s p a n log 2 N max ，其中 T s p a n 是时间间隔。实验选取 N c = 16 ，即选择16个调制信道，频率从25 kHz扩展至400 kHz，信道间隔为25 kHz。取单一的频率分量 r = 1 ，即在一个时间间隔内16个频率信道中只有一个用于信息传输，因此通过传输一个数据块，接收者可得到 log 2 16 = 4 比特信息。当时间块长度为1ms时，数据传输率可达4 kbps。 连续光脉冲服从泊松分布，导致实验所得频谱会受白噪声影响，但光子的损耗和错误仅改变频谱的信噪比。因此，白噪声背景下，接收方可利用基于频率调制的特征谱从编码中恢复出机密信息。实验还分析了通信系统可很好地抵抗截取重发攻击(intercept-resend attack)和光子数分束攻击(photon-number- splitting attack)。特征谱的信噪比是由正确探测到的被编码单光子数决定的。当信噪比小于1时，即使窃听者可得到被加密单光子块的部分光子，也不可能获取所有机密信息。系统的安全传输距离依赖于每脉冲的平均光子数，二者关系如图4所示，系统的最远传输距离大约可达16 km，但实际信息比特数值在传输距离超过1 km后下降明显，如图4所示。此外，山西大学肖连团等人还提出了一种无条件安全的信息传输策略，为量子安全直接通信更深层次的实用化研究提供了坚实有力的技术支撑。 利用单光子实现安全直接通信，首要任务便是制备单光子。目前大多数单光子的制备方法较复杂，实验环境要求很严格，极大地限制了通信系统的建立，不理想的单光子甚至有可能导致窃听成功率增加；其次，实验中对光子操作控制的熟练程度也会影响实验结果，改善量子通信设备、加强科技实战化应用十分必要。科技力量只有不断革新，才能为量子安全直接通信实验的实用化研究提供坚实支撑，从而为未来基于单光子的QSDC 实验验证拓宽发展空间。 3.2.2. 基于EPR光子对的实验方案一 2017年6月，郭光灿等人利用量子存储技术实验验证了基于纠缠的QSDC方案，实现了光子纠缠的产生，量子信道安全性检测，纠缠态光子的传送、储存、编译码等方案的必要过程 [ 22 ]。多数QSDC方案利用光学延迟技术储存编码后的光子，实验上是可行的，但光学延迟的固定时延会导致通信系统不够灵活。因此，本实验利用量子存储代替光学延迟技术，量子存储能很好地抵抗消相干作用，根据实际 图4. 通信距离与每脉冲信息比特的关系 需求还可操作改变量子态，保证所控信息在一定时域内可高效传输，从而实现完整的通信过程，满足实际需求。实验成功实现了连续存储纠缠单光子、准确有效地控制量子态等极具挑战性的关键环节。 因Bell态难以区分，实验并没有完全按照理论方案所述进行，而是采用具有极化自由度的光子作为信息载体。发送方无需直接建立两光子纠缠Bell态，通过制备混合纠缠光子对，分发后储存于另一量子系统中，便可建立存储纠缠。机密传输时，对来自第一量子系统中的光子进行密集编码，在恢复来自第二量子系统中存储的光子后，通过密度矩阵的重建便可完成解码工作，解码时需实现完整确定的Bell态测量。实验利用密集编码可保证信息的高效传输，保真度大约可达90%，系统的通信能力优于量子远程传态。 实验时，传送光子、编码操作均需一定时间，双方共享光子对的存储也需时间，存储时间大于 T 0 + L / c ， T 0 是发送方的操作时间，L是通信距离，c是光速， L / c 是一个光子的传输时间。量子存储的时间是影响实验效率的关键因素，利用后向恢复技术，实验可保证量子存储的效率高于90%，利用量子重复多元存储可较好地实现数据的块传输。 借助量子中继器，改善长距离通信时光纤中大部分光子丢失、失关联的情况，是未来实验必然面对的挑战。实验化的突破对未来基于卫星的超距、全球量子安全直接通信的实现以及量子安全网络的建立具有一定的启发价值。 3.2.3. 基于EPR光子对的实验方案二 2017年11月，清华大学张巍、南京邮电大学盛宇波等人首次利用光纤光学技术实现了基于纠缠对的长距离QSDC实验 [ 23 ]。光纤量子信道的长度可达500米，通信后两纠缠Bell态的保真度分别可达91%、88%。 实验利用光纤量子光源方面的技术可制备出基于纠缠Bell态的量子光源，处于偏振纠缠Bell态的两光子既偏振纠缠又频率简并，这使得将两光子分离到两个不同光路时具有一定难度。实验将光纤中的自发矢量四波混频效应双向地引入到光纤萨格奈特环路中，利用环路输出端的双光子量子干涉现象可解决分离难题。实验制备出的纠缠光子对存储于光纤圈中，性能高于量子存储。 实验还采用光纤光学器件构建偏振纠缠Bell态检测系统，使用的光纤既用作量子信道，又用作光子寄存器。与量子存储相比，光纤操作更简易，更具可靠性，当存储时间在几十微秒内时，系统的效率和保真度会很高。实验建立的完全基于光纤光学技术的QSDC系统，成功实现了纠缠安全检测、纠缠Bell态编解码等实验关键步骤，完整地论证了基于纠缠的QSDC在光纤传输条件下功能实现的可行性。未来实验中，通过使用较窄的光学滤波器或控制量子存储的温度可减缓光子的纠缠变换，以此可提高实验的可见度。以此为基础，利用与光纤通信兼容的成熟技术可实现面向光纤网络应用的QSDC系统，这是量子安全直接通信向实用化迈进的关键环节，具有巨大的发展潜力与现实价值。 对基于单光子以及两个基于EPR纠缠光子对的实验方案进行综合比较分析，对比实验结果如表2所示。 由表2可知，基于EPR纠缠光子对的实验相较基于单光子的实验在光纤衰减方面相差不大，在保真度、传输率、安全通信距离等方面存在一定优势，有利于直接远距离网络化通信。未来发展中，应着力研究基于纠缠对的量子安全直接通信。两个基于纠缠对的实验方案的编码保真度相差不大，但未来还应着重研究如何提高通信距离、改善存储性能、减缓光纤衰减等实验上的技术难题。此外，为深入探索发展QSDC，还应寻找易制备纠缠态的新方法，发现并使用量子力学新性质来设计实现QSDC实验，突破传输效率、安全距离等实验极限，为量子远距通信、量子网络的建立提供完备的实验环境。 3.3. QSDC网络设计研究 近年来量子安全直接通信的研究大多是基于点对点的双方单向或双向通信，主要集中在对不同新型通信方案的理论模型设计以及提高系统安全性等方面，对基于QSDC的量子通信网络实验探索较少，仅停留在理论研究阶段。随着人们对通信技术可靠性、安全性、灵活性要求的日益提高，点对点的传统通信模式无法满足多方用户需求，系统容量和灵活性都有待加强，量子安全直接通信实用便捷，必然要与经典通信网络相结合，综合发挥各自优势，向量子系统网络化方向迈进。 量子通信网络有自己特有的网络分层结构，主要分为物理链路层、网络层以及网络管理层。物理层实现量子信号的产生、探测、调制和编码，网络层负责为量子中继器寻找合适路由并进行路由控制、量子态交换、量子多址等操作，网路管理层实现密钥管理，降低误码率，保证系统安全性。 Table 2 Comparison of experimental result 实验结果 实验方案 肖连团组实验 郭光灿组实验 张巍组实验 实验时间 2016 2017 2017 使用的量子态 单光子 EPR纠缠光子对 EPR纠缠光子对 光脉冲重复频率 10 MHz 暂无 10 GHz 光纤衰减 0.2 dB/km 暂无 0.2 dB/km 编码保真度 暂无 90% 91%、88% 数据传输率 4 kbps 2.5 bit/s 暂无 实验距离 暂无 暂无 500 m 理论安全通信距离 16 km 暂无 25 km 表2. 实验结果对比 2007年，邓富国等人提出了基于单光子的经济型QSDC网络基本方案 [ 25 ]。方案中有可以制备和测量量子信号的服务器(Alice)、发送端(Bob)和接受端(Charlie)。在利用单光子的QSDC系统基础上，引入量子服务器的概念可实现三方用户间的量子信息交换。服务器Alice是单光子序列的制备者，参与系统安全检测，不会破坏原有两用户系统的安全性。该方案中，因单光子信号源不完整，系统易受光子数分束攻击(Photon Number Splitting， PNS)，2009年，权东晓等人对其进行改进，提出了基于诱骗态的广域量子QSDC网络方案。方案通过在局域网中设置服务器提高了通信距离，根据信道参量可估计不同通信距离的通过率，实现远距离的QSDC [ 46 ]。2007年，邓富国、李熙涵等人提出了基于纠缠态的QSDC网络方案，服务器Alice制备的是EPR纠缠对 [ 47 ]。2014年，华中科技大学葛华研究了QSDC相关的网络技术，提出了利用量子中继器连接的双通信环QSDC网络结构，可增加通信距离，提高系统的灵活性、实用性 [ 48 ]。2015年，青岛理工大学马鸿洋等人提出并讨论了噪声情况下的量子网络直接通信 [ 49 ]。2016年，曹正文等人提出了一种星型网络中的双向QSDC方案，方案具有较高的通信效率，可抵抗窃听者的被动式和截获重发攻击 [ 50 ]。 从上述量子安全直接通信网络系统可看出，现有的QSDC网络化方案基本都是对QSDC具体通信方案的扩展，在点对点的QSDC通信系统中引入量子服务器实现三方通信。整体来看QSDC网络化模型结构相对简单，不够实用，忽略了网络系统中通信距离、通信质量等相关因素的影响，也没有考虑到真正量子通信网络化后路由寻址、信息交换等实际问题。随着传输距离要求的不断增加，信息在信道中传输时必然会损耗能量，由于量子态的不可克隆性，可采用基于纠缠交换的量子中继技术来扩大QSDC网络系统的通信距离，增强实用性能。受当前技术限制，量子安全直接通信的网络化发展依旧面临着严峻挑战。