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user: 1. 引言 1.1. 发展现状 量子保密通信是以量子态为信息载体，利用量子纠缠效应、量子叠加等量子力学基本原理进行信息编解码、操纵控制和安全传输的一种新型通信方式。量子通信结合了量子论和信息论，在物理领域内利用量子力学基本原理进行高效率高安全的通信，具有区别于经典通信依赖数学计算复杂性的物理安全性；在通信领域内基于量子隐形传态、量子不可克隆等量子特性，利用量子测量等方法实现通信双方的信息交流。如图1所示，一个量子通信模型中量子信源产生信息，量子编码器将经典信息转化为量子比特，以量子态的形式加载信息，随后通过调制使量子信号能够适应量子信道传输。通信过程中，需要借助经典信道进行辅助信息的交换，接收方收到信号后，经过解调、译码等一系列操作使量子信宿能够接收信息。 目前，量子通信中应用最为广泛的技术便是量子密钥分发(Quantum Key Distribution， QKD)，以量子密钥分发为核心的量子保密通信技术逐步走向成熟，商用产业化得以实现，实用性得到了很好的检验。1984年，美国IBM的Bennett、加拿大Montreal大学的Brassard提出了BB84量子密钥分发协议，这是第一个量子通信协议，协议中量子信道传输量子密钥，经典信道传输用于基矢比对测量、窃听检测的大量辅助信息，最终通信双方可以50%的概率成功获得随机共享的密钥 [ 1 ]。量子密钥分发的安全性基于概率统计，通过抽样分析测量部分量子态来判断是否存在窃听，若有窃听，则放弃已有通信结果；若无窃听，则保留已传输的密钥。通信过程中，若窃听者进行拦截再发攻击就会有75%的概率得到正确传输结果，通信双方间的错误率会达到25%。量子密钥分发产生随机密钥后，可用于经典通信模式，即发送方利用共享的随机密钥加密信息，通过经典信道传输后由接收方解密读取，因此，量子密钥分发不能直接用来传输机密信息。 量子密钥分发无法突破经典通信模型，科研工作者们便提出了量子安全直接通信，以实现机密信息的直接安全传输。量子安全直接通信(Quantum Secure Direct Communication， QSDC)是用量子态加载信息，综合利用纠缠粒子的关联性和非定域性等量子特性以及海森堡测不准原理、不可克隆定理等量子力学基本原理，借助量子信道安全无泄漏地直接传输机密信息的一种量子通信技术。量子安全直接通信通过建立量子信道可直接传输机密信息，无需事先生成密钥，只在安全性检测、出错率估计时需要少量经典信息交换。机密信息加载于量子态前，通信方就应判断出是否存在窃听，若有窃听，则放弃此次通信过程；若无窃听，就开始传输机密信息。由此可见，量子安全直接通信也可产生随机密钥，实现量子密钥分发的功能，但量子密钥分发只能产生不涉及任何机密的随机密钥。 图1. 量子通信模型 2000年，清华大学龙贵鲁、刘晓曙将大数中心分布定理推广到量子体系，首创了量子数据块传输与分布传输方法，提出了第一个基于EPR纠缠光子对的两步高效量子通信方案，可解决通信过程中的信息泄漏难题 [ 2 ]。2003年，龙贵鲁、刘晓曙和北京师范大学的邓富国首次阐明了量子安全直接通信的定义、构造原理，提出了结构含义更完整的基于EPR纠缠光子对的两步QSDC方案 [ 3 ]。2003年，邓富国、龙贵鲁提出了基于单光子序列的量子一次一密直接通信方案，也称量子一次一密(quantum one-time pad)方案或Deng-Long-04 (DL04)方案，该方案将未知量子态的不可克隆性融于一次一密加密体系，给出了QSDC需要满足的条件并阐明了其物理机制 [ 4 ]。早期的两个典型方案给出了量子安全直接通信的构造原理和安全判据，为QSDC的进一步发展奠定了坚实的理论基础。 随后几年，QSDC理论研究日益成熟完善，涌现出了很多基于单光子、纠缠粒子的新型QSDC方案，与此同时，QSDC系统在有噪、攻击条件下的安全传输逐渐成为了其发展的关键制约点。2007年，曲阜师范大学满忠晓等人分析了延边大学金星日等人提出的一种基于GHZ态的三方QSDC方案的安全性，发现窃听者依据公开信息可得到部分机密，因此给出了改进方案 [ 5 ]。2008年，北京邮电大学高飞等人研究分析了一种双向QSDC方案在不同攻击下系统的安全性问题，指出窃听者可利用公开的经典信息获取机密的部分内容 [ 6 ]。2009年，福建师范大学林崧等人提出了通过PNS攻击双向QSDC系统的方法并对方案进行了适当改进 [ 7 ]。2011年，南京大学顾斌等人首次研究了噪声条件下具有身份认证、基于密集编码的QSDC方案 [ 8 ]。2012年，北京邮电大学黄伟等人提出了基于量子加密的容错QSDC方案，方案在一定程度上可抵抗集体噪声 [ 9 ]。2014年，北京大学安辉耀等人研究了基于稳定子码的在噪声信道中的QSDC方案，该方案可对单量子的相位和比特错误进行检错纠错，降低通信误码率 [ 10 ]。2015年，龙贵鲁研究了噪声环境下的量子安全直接通信 [ 11 ]。 在国内量子安全直接通信发展日趋成熟的同时，国外也逐步展开对量子安全直接通信的研究。2002年，德国Westfälische Wilhelms大学的K Bostrom、T Felbinger提出了“乒乓”(ping-pong)通信方案，其在第一轮传输中没有安全性检测，但后来被证明是不安全的 [ 12 ]。2004年，韩国高等研究院Nguyen等人提出了一个可实现双向通信的QSDC方案 [ 13 ]。2006年，韩国信息安全技术中心Lee等人提出了一个可实现身份验证的QSDC方案，此方案后来被证明易受攻击，应通过阻止认证者获得信息的方法来增强安全性 [ 14 ]；意大利Melbourne大学的Tombesi等人实验验证了简化版的DL04方案 [ 15 ]。2008年美国Cornell大学Stefano Priandola，Samuel L. Braunstein和Stefano Manici、Seth Lioyd提出了一个使用连续变量的QSDC方案 [ 16 ]。2010年，Cornell大学Ola M. Hegazy、Ayman M. Bahaa-eldin和Yasser H. Dakroury提出了基于纠缠态和超密集编码的QSDC方案 [ 17 ]。2015年，乌克兰国际航空大学Sergiy Gnatyuk、Tetyana Zhmurko和波兰Bielsko-Biała大学的Pawel Falat为QSDC方案提供了一种效率加速思想，基于三元伪随机序列和有限域上的相关转换对ping-pong协议进行量子安全放大，既可增加方案安全性，又可提升通信速率 [ 18 ]。2016年，巴西Federal do Ceará大学AntoônioGeovan De Araújo Holanda Guerra、Francisco Franklin Sousa Rios和Rubens Ramos提出了利用连续相干态的数字信号、模拟信号的QSDC方案 [ 19 ]；同年，伊朗Imam Reza国际大学Milad Nanvakenari、Monireh Houshmand提出了基于四粒子群态的高效QSDC方案，方案可实现认证功能 [ 20 ]。 此后，量子安全直接通信理论研究不断提升发展，思想理论极限得到突破，随着技术条件的持续升级，研发重点从理论研究逐步转向了实验验证。2016年，山西大学肖连团等人利用简化频率编码的方法实验实现了DL04方案 [ 21 ]。2017年6月，中国科技大学和南京邮电大学联合实验，郭光灿等人首次利用量子存储，成功产生、传送、储存、编码了纠缠光子，检测了量子信道安全性，基本实验实现了基于纠缠的QSDC方案。以此为基础，可进一步开展百公里以上远距离的QSDC实验研究，为实现基于卫星的星地长距离通信和全球化量子安全直接通信网络奠定基础 [ 22 ]。2017年11月，清华大学与南京邮电大学合作，张巍、朱峰、盛宇波和黄翊东等人首次在500米环形光纤中实验实现了QSDC，理论分析证明了凭借当前实验条件可验证相距几十公里双方通信的可行性，量子安全直接通信在实用化进程中取得了突破性进展 [ 23 ]。 1.2. 通信原理 经典保密通信系统中，一次一密(one-time pad)加密体系是唯一用信息论相关理论被证明为绝对安全的。该体系中，每次通信密钥只能使用一次且长度应等于待加密的明文。系统中，窃听是无法避免的，但窃听只能获得加密后的操作结果，无法获取加密前的信息，窃听者不会同时拥有加密前后的结果，因此无法获得密钥，也就无法得到机密操作信息。通信过程中，合法通信双方间的共享密钥对窃听者而言是完全随机的，这可保证加密体系的安全性。 量子安全直接通信在物理原理上具有可行性，其安全原理类似经典一次一密加密体系。通信时，对系统的初始量子态进行不改变测量基矢的幺正操作，即编码机密信息，随后可进行信息传送。传输过程中窃听会得到操作后的量子态，但因不知系统初态，就无法读取量子幺正操作信息，机密就不会泄露。此外，用于量子通信的量子态不仅仅是一组基矢的本征态，在多组基矢的本征态综合排列后，窃听者准确读取操作后量子态信息的难度会增大，这从物理原理上保证了量子安全直接通信的安全性。 量子安全直接通信可直接传输机密信息，必须具备在信息泄露前就能判断出信道是否安全和有无窃听存在的能力。数据的块状传输保证通信双方可进行基于随机抽样统计的安全性分析，若存在窃听，窃听行为在分析结果中会有所体现，应放弃传输机密；若不存在窃听，则通过分布传输可保证量子幺正操作加载的机密信息不会泄露。合法的接收者应具备直接读取机密信息的能力，不能依赖于任何经典辅助信息。 判断一个量子通信方案是否是真正的量子安全直接通信时，关注点应落在方案是否能直接安全传输机密而不发生泄露上。因此，邓富国、龙贵鲁等人提出了Deng-Long判据 [ 3 ] [ 4 ] 用于进行辅助判断： 1) 借助量子信道传输量子态，只在安全性分析、出错率估计时需要少量经典信息交换，接收方可直接读取加载在量子态上的机密信息。 2) 窃听只能得到与机密信息无关的随机结果。 3) 通信双方在加载机密前就能判断出是否存在窃听。 4) 量子信息数据以量子态为载体，必须保证块状传输。 1.3. 研究意义 量子安全直接通信的理论研究与实验应用融合发展，取得了一系列成就。 与经典通信模式和量子密钥分发相比，量子安全直接通信具有很多发展优势，研究意义颇深。 1) 根据不可克隆定理，测量会造成量子态坍缩且量子通信没有电磁辐射，因此窃听或探测就无法进行，这使得量子安全直接通信具有高保密性、高安全性。将量子安全直接通信与经典加密相结合，可进一步提高通信安全，为保密需求极高的国防、军事等相关领域提供强有力的技术保证。 2) 量子安全直接通信线路时延低，信息传输率高，能很好地突破经典通信技术存在的物理极限，适合于某些紧急情况下的机密信息传输，可防止抵赖与造假行为。 3) 量子安全直接通信系统不依赖空间环境，也无关传播媒介，通信具有稳定的抗干扰能力和极强的传输能力，实际应用于条件恶劣、环境复杂的区域时会有较好的适应能力。 4) 目前光纤通信技术不断成熟扩大，量子安全直接通信可基于光纤系统实现实用化发展。为满足实际通信需求，量子安全直接通信必将成为未来量子通信研究的主攻方向，可带动全球量子通信产业化、网络化高速发展。 5) 相比于量子密钥分发，量子安全直接通信直接传输机密无需密钥生成，通过减少经典信息交换可降低复杂性，同时基于纠缠态的通信方案成倍地提高系统通信容量，现实通信速率会大大提升，这为未来进一步探索全球量子化通信技术的应用奠定了基础。 6) 国内外对量子安全直接通信的研究探索由浅渐深，由理论支撑逐步转向实验验证，进而可实现实用化、网络化、商业化的综合发展。