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user: 2. 量子安全直接通信最新进展总结及对比 2.1. 端到端QSDC层面 2.1.1. QSDC理论方案概述 除了在有噪情况或是在攻击条件下一些实用性较高的理论方案外，其余现有量子安全直接通信方案根据加载信息的量子载体不同，一般可分为利用单光子作载体的QSDC方案和利用纠缠粒子作载体的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DL04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，得到了一定空间的发展。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。但单光子编码加密信息的容量较低，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。近三年的相关进展如下：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 [ 24 ]，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 [ 25 ]。2017年，解放军电子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 [ 26 ] ；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 [ 27 ] ；2017年，广东水利电力职业技术学院郑晓毅等人提出了基于cluster态的信道容量可控的QSDC方案，通过转变测量基规则和选用不同的编码粒子可将其进一步扩展为可控双向QSDC [ 28 ]。基于纠缠态的QSDC方案不断创新进步，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、通过测量可简化加密信息在信道中的传输过程，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，方案无需建立量子信道，也不需传送经典辅助信息，其安全性得以保证是因为图灵机不能对NP完全问题进行有效求解 [ 29 ]。2017年，翁鹏飞等人提出了实际噪声背景条件下的一种基于量子纠错码的量子网络直接通信方案，系统需选择 w 态粒子作为控制比特才可通过量子纠缠实现完整的通信过程 [ 30 ]。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。 2.1.2. QSDC实验进展概述 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，具有实际利用价值，对下一阶段深入实验探索具有很强的指导作用。 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，依据频域内不同调制光子序列的统计特性实现信息编码，序列比特数不同，调制频率也会不同。以此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，从而读出加密信息。当时间块长度为1 ms时，数据传输率可达4 kbps。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。此外，肖连团等人还提出了新的信息传输策略，可实现系统的无条件安全，为量子安全直接通信更深层次的实验实用化研究提供了强有力的技术支撑。 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，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。 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实现了基于纠缠对的远距QSDC实验，实验是基于光纤光学技术完成的 [ 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引入光纤萨格奈特环路中，利用好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。 2.2. 网络化QSDC理论方案层面 近年来针对量子安全直接通信的研究大多是端到端的双方单向或双向通信，研究中心聚焦于对新型通信方案的理论系统分析以及增强通信安全等方面，对基于QSDC的通信网络实验探索较少，仅停留在理论研究阶段。随着人们对量子密码技术可靠性、安全性、灵活性要求的日益提高，端到端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，必然是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发展的。 2007年，邓富国等人利用单光子实现了经济型QSDC网络基本方案 [ 31 ]。方案中存在发送端(Bob)、接受端(Charlie)以及制备并测量量子信号的服务器(Alice)。将量子服务器用于借助单光子实现的QSDC系统中可实现通信三方的信息交流。服务器Alice制备单光子序列，参与系统窃听检测，不会对原有两方通信系统的安全性产生影响。该方案中，因单光子源制备不完整，系统易受光子数分束攻击(Photon Number Splitting， PNS)的影响，2009年，权东晓等人对其进行改进，提出了需利用诱骗态实现的广域量子QSDC网络方案。方案借助服务器方的设置可实现远距通信，且依据不同信道参数可估计不同距离的通过率 [ 32 ]。2007年，邓富国、李熙涵等人利用EPR纠缠粒子实现了QSDC网络化通信 [ 33 ]。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 [ 34 ]。2015年，青岛理工大学马鸿洋等人讨论了噪声环境中的量子网络直接通信 [ 35 ]。2016年，曹正文等人提出了一种适用于星型网络的双向QSDC方案，方案能抵抗被动式攻击和截取重发攻击，通信效率较高 [ 36 ]。 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双方通信方案的扩展，在端到端的QSDC通信系统中借助量子服务器可实现三方通信。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延长QSDC网络系统的通信距离，提高实用性能。在当前技术条件受制的情况下，量子安全直接通信网络的发展依面临严峻挑战。 2.3. 最新理论方案对比分析 通过对现有的多类理论方案进行深入探究，不仅可分析出当前主流研究趋势，从而预测未来理论方案研究的重点方向；还可在此基础上针对特定方向进行研究探讨，提出可保证通信安全、提高传输效率的改进建议，进一步完善理论功能内容。 此外由以上总结可看出，近年来量子安全直接通信实验研究虽然取得了一些进展，但始终处于起步阶段，实现的功能较初级单一。而理论研究发展却日益成熟，逐渐向系统化方向发展，体系较分明。因此，对近年来功能实现较齐全的理论研究方案进行分析对比，也可为实验验证的发展指明方向。 本文选择了近年来在功能实现方面较有特色的三个理论方案进行对比分析，其中两个方案可实现端到端通信，即2017年，翁鹏飞等人提出的 w 态的高维量子安全直接通信方案 [ 27 ] 、郑晓毅等人提出的基于cluster态的信道容量可控的可控QSDC方案 [ 28 ] 以及一个网络化通信方案，即2016年曹正文等人提出的一种星型网络中的双向QSDC方案 [ 36 ]。最后，依据对比结果可对未来量子安全直接通信的理论研究进行预测展望。 2.3.1. 方案研究比较 1) 态的高维量子安全直接通信 2017年，翁鹏飞等人提出了 w 态的高维量子安全直接通信方案 [ 27 ]。发送方Alice对需传输的秘密序列进行密集编码，接收方Bob通过联合测量读取相应的经典信息。通信双方将 w 态粒子作为检测粒子随机插入到多维Bell量子态序列中，利用其纠缠特性保证通信安全。 基于熵理论和窃听检测分析该方案的安全性，三粒子 w 态作为诱饵可得到每量子位64%的窃听探测率，较扩展GHZ态提高了6%的窃听率。同时，该方案为提高传输效率和量子比特效率，利用高维Bell态作为传输粒子。若方案应用于4维Hilbert空间，则效率可达173. 9%，量子比特效率可达43.8%。 本方案的一大意义是弥补了2015年昌燕等人提出的基于三粒子 w 态蜜罐的受控QSDC方案的缺陷，原方案利用信息序列中随机插入的三粒子 w 态可完成信道检测窃听，一旦窃听者Eve知道通信双方在受控通信中利用三粒子 w 态实现蜜罐粒子的作用，无需测量便可知窃听粒子的状态，此时窃听被探测到的概率为0，会令通信双方误认为信道安全，从而造成信息泄露 [ 37 ]。本方案在高维Hilbert空间中将纠缠态拆分开，利用 w 态纠缠特性可验证信道安全，使得窃听率有所提高。但相较于其他通信理论方案，量子比特效率并不是很高，方案也只能实现简单的双方通信。 2) 基于cluster态的信道容量可控的可控量子安全直接通信方案 2017年，郑晓毅等人提出了基于cluster态的信道容量可控的可控QSDC方案 [ 28 ]。通信三方将五粒子cluster态作为量子信道，借助其特殊的粒子分布结构以及诱饵光子和校验信息，可利用量子测量完成信道的第一次安全检测。在系统中，控制方Cindy随机选择测量基( Z 基或 X 基)来测量粒子序列以此完成对信道容量的调控。发送方Alice通过幺正操作编码待传输的机密和检测信息，并在插入诱骗光子后发送给接收方Bob。Bob依据Alice、Cindy告知的信息，进行Bell测量便可完成第二次安全检测并获/得机密信息。 方案采用基于两步QSDC方案的分步传输量子数据块的方法来保证通信安全，通过两次安全性检测判断信道是否安全。理论上在一定的噪声环境中可完成可控的量子安全直接通信，且根据方案结果可知，不同的测量基规则和不同的编码粒子可决定方案是否能够扩展为可控双向QSDC。 该方案的一大特色在于利用了五粒子cluster态，cluster态具有最大联通性，持续纠缠比GHZ和 w 态粒子要好，很难被局域操作破坏。在实际应用时，可通过多种方式完成cluster态的制备，操作性较强。方案中所采用的测量只限于常见的单光子测量、Bell基测量，操作方便，相应的幺正操作也是简单的Pauli幺正操作。因此在实验条件成熟的情况下，安全直接通信利用五粒子cluster态控制信道容量是可以实现的。但与此同时，利用五粒子纠缠实现方案功能，通信过程较为复杂，传输效率与量子比特利用率并不高。 3) 一种星型网络中的双向量子安全直接通信方案 2016年，曹正文等人提出了一种星型网络中的双向QSDC方案 [ 36 ]。方案基于三粒子GHZ态，即通信双方需要在量子服务器的控制下，才可完成双向通信。利用不同的三粒子酉变换，双方双向通信中可实现一次4bits经典信息的传输，系统效率较高。研究方案的安全性可发现，利用特定的幺正变换再结合量子测量相关性可抵御被动式攻击和截获重发攻击，保证机密内容的安全传输。 该方案的一大优势在于可在网络化系统中实现通信方之间的双向通信，且通信效率也较高。但通过设计多种幺正变换才可实现信息编码，使得方案在实际执行操作时会较为复杂，不易控制，量子比特利用率不高。同时，方案在理论上基于星型网络，将其用于实际应用时还需推广成全网络端到端模式，这对每一通信方需要进行的量子存储操作具有很高要求，且通过量子信道分发粒子还应解决信道容量低及其安全性不稳定等问题。 2.3.2. 理论优化方向 在理论层面，以功能实现为主要指标对比分析上述三种方案，如表1所示： Table 1 Function comparison of different scheme 主流方案 功能指标 w态高维QSDC cluster态 可控QSDC 星型网络 双向QSDC 安全性 理论安全 理论安全 理论安全 编码容量 一个态：4 bits 一个态：2 bits 一个态：2 bits 传输效率 1.739 暂无 2 量子比特利用率 0.438 不高 不高 容量控制 不可控 可控 不可控 通信方向 单向通信 可推广为双向通信 双向通信 通信模式 端到端通信 端到端通信 网络化通信 表1. 方案功能对比 由以上主流方案可知，量子安全直接通信的理论研究虽然蓬勃发展，但方案安全性不高、传输速率低以及功能实现较单一等难题始终阻碍着科研工作的进一步深入探究，未来量子安全直接通信的理论方案研究重点可以有一些改进之处： 1) 通过将整个方案背景定义在高维Hilbert空间中，适当通过改进编码规则来提高通信编码容量。 2) 利用多粒子纠缠实现功能上的复杂性，例如实现信息的双向传递或是多方网络化的交流。 3) 通过定义冗余编码，降低噪声对通信的影响，提高通信系统稳定性，以此来提高系统的传输效率。 由以上三种方案推广可知，相关研究工作的深入探索需要注意编码方案的创新改进，从而可通过编码容量的适度提高一定程度上调高通信效率，或是进一步通过优化编码规则来增强抵御噪声的能力。在此基础上，本文依据新的量子编码方案，提出了一种基于4维Bell纠缠态和单光子混合的QSDC方案，理论意义上通信容量较高并在一定程度上提高了通信效率和安全性。