撰稿 | 李淵華  戚展彤

說明 | 本文來自論文作者（課題組）投稿

人類最早使用的加密技術(shù)是密碼棒（名詞解釋>>>）。古希臘的斯巴達(dá)人將一張皮革包裹在特定尺徑的棍子上，再寫上傳遞給他人的信息。而信息的接收者只需要有根同等尺徑的棍子，收到皮革后再將皮革裹到棍子上就可以讀出原始信息。即便這張皮革中途被截走，只要對(duì)方不知道棍子的尺徑，所看到的也只是一些零亂而無用的信息。這就是歷史上記載的人類最早對(duì)信息進(jìn)行加密的方法之一。

圖1：密碼棒實(shí)物圖，纏棍子是算法，棍子粗細(xì)是密鑰

通信安全是人類一直的夙愿。從摩斯電碼到電報(bào)、傳真，從移動(dòng)電話到網(wǎng)絡(luò)通信，通信技術(shù)的發(fā)展也帶來了通信安全的隱患。

圖2：電影《竊聽風(fēng)暴》劇照

從理論上來說，傳統(tǒng)的數(shù)學(xué)計(jì)算加密方法都是可以破譯的，再?gòu)?fù)雜的數(shù)學(xué)密鑰也可以找到規(guī)律。隨著計(jì)算機(jī)的飛速發(fā)展，破譯數(shù)學(xué)密碼的難度也逐漸降低，信息安全面臨的挑戰(zhàn)隨之上升。幸運(yùn)的是，量子理論為人類追求信息的絕對(duì)安全打開了一扇窗。

量子通信利用量子力學(xué)原理進(jìn)行信息傳輸和處理, 因其具有高安全、高容量等優(yōu)點(diǎn)而逐漸發(fā)展成為一種極為重要的通信方式，這在過去的20多年中成為量子信息研究的重要內(nèi)容, 具有很好的應(yīng)用前景，同時(shí)處理量子信息的方法也越來越成熟。

基于此，一種新式的通信模式在2000年被提出，也就是量子安全直接通信（QSDC）協(xié)議，QSDC是指：用戶之間可以直接通過安全量子通道發(fā)送秘密信息，而且在這一過程中第三方的任何攻擊都無法從中獲取任何有用的信息。QSDC協(xié)議因其相對(duì)簡(jiǎn)單的通信步驟而后被提出，這一通信方法減少了潛在的安全漏洞，并提供了高的安全保證，保障了量子通信的安全性和實(shí)用性。

然而在實(shí)際應(yīng)用中，基于糾纏的QSDC協(xié)議無法同時(shí)區(qū)分四組編碼的正交糾纏狀態(tài)，這無疑也限制了QSDC在糾纏網(wǎng)絡(luò)中的推廣應(yīng)用。同時(shí)，提高QSDC的應(yīng)用價(jià)值并且擴(kuò)大QSDC的應(yīng)用范圍，構(gòu)建量子網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)多用戶互聯(lián)這一工作非常重要。

為此，上海交通大學(xué)陳險(xiǎn)峰團(tuán)隊(duì)與江西師范大學(xué)李淵華等人合作，在量子通信網(wǎng)絡(luò)方面取得最新進(jìn)展：他們首次提出了一種遠(yuǎn)距離量子安全直接通信網(wǎng)絡(luò)，并且在實(shí)驗(yàn)中證明了它的可行性。

圖3：量子通信網(wǎng)絡(luò)藝術(shù)效果圖

該成果以“A 15-user quantum secure direct communication network”為題發(fā)表在Light: Science & Applications。

研究人員提出并實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了基于時(shí)間-能量糾纏和和頻的15個(gè)用戶QSDC網(wǎng)絡(luò)，在QSDC網(wǎng)絡(luò)中，如果任意兩個(gè)用戶想要直接通信，首先兩個(gè)用戶（用戶1和用戶2）將共享N對(duì)由網(wǎng)絡(luò)處理中心分發(fā)的時(shí)間-能量糾纏態(tài)，在檢測(cè)量子糾纏信道完全安全后，雙方規(guī)定四種貝爾態(tài)分別編碼為00,01,10和11，其中用戶1對(duì)自己持有的光子分別做四種幺正操作，來實(shí)現(xiàn)編碼過程，分別對(duì)應(yīng)00,01,10和11，最后用戶2通過利用和頻這一非線性過程實(shí)現(xiàn)貝爾態(tài)測(cè)量來區(qū)分四個(gè)編碼的貝爾態(tài)，從而完成信息的解碼。

15個(gè)用戶處于完全連接的QSDC網(wǎng)絡(luò)中，網(wǎng)絡(luò)處理中心將控制連接中五個(gè)子網(wǎng)，經(jīng)過自發(fā)參量下轉(zhuǎn)換過程產(chǎn)生單光子源并分到30個(gè)國(guó)際電信聯(lián)盟通道中，利用時(shí)分復(fù)用和密集波分復(fù)用的方法，分發(fā)15對(duì)糾纏光子對(duì)，用戶通過操作自己的波長(zhǎng)通道來實(shí)現(xiàn)與其他用戶之間的QSDC兩步傳輸過程，如圖4中所示，網(wǎng)絡(luò)中任意兩個(gè)用戶之間都可以進(jìn)行QSDC任務(wù)。

圖4 量子網(wǎng)絡(luò)組成 (a)由五個(gè)子網(wǎng)完全連接的量子網(wǎng)絡(luò)；(b)子網(wǎng)中三個(gè)用戶之間的互聯(lián)

眾所周知，QSDC信息傳輸?shù)陌踩院涂煽啃允橇孔泳W(wǎng)絡(luò)中必不可少的部分。量子網(wǎng)絡(luò)通信的安全由量子糾纏的性質(zhì)得到保證，竊聽者每次只能竊取糾纏粒子體系的一部分, 得不到糾纏光子對(duì)的整體狀態(tài), 從而保證了信息不泄露。對(duì)此，研究人員在QSDC中實(shí)現(xiàn)了逐步傳輸過程，并估計(jì)了雙方通信量子信道的安全容量。在確認(rèn)量子信道的安全性后，合法用戶在通信網(wǎng)絡(luò)中可靠地進(jìn)行編碼或解碼操作，傳遞信息，如果安全傳輸容量低于安全閾值，則終止通信。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，任意兩個(gè)用戶可以在40公里的光纖中進(jìn)行QSDC，如圖5所示，網(wǎng)絡(luò)中任意兩用戶共享的糾纏態(tài)保真度仍然大于95%，信息傳輸速率可以保持在1 Kbp/s。實(shí)驗(yàn)結(jié)果也證明了所提出的量子直接通信網(wǎng)絡(luò)的可行性與安全性。

圖5 實(shí)驗(yàn)裝置 (a)量子網(wǎng)絡(luò)的物理結(jié)構(gòu)；(b)通過自發(fā)參量下轉(zhuǎn)換產(chǎn)生糾纏源的光譜；(c)和頻過程。

值得注意的是，該項(xiàng)研究目前主要針對(duì)長(zhǎng)距離糾纏網(wǎng)絡(luò)中的QSDC，推而廣之，結(jié)合最近提出的QSDC安全中繼器量子網(wǎng)絡(luò)，它將可以實(shí)現(xiàn)整個(gè)量子互聯(lián)網(wǎng)上安全的端到端通信，突破通信距離的瓶頸，在未來通信中存在巨大潛力。此外，通過結(jié)合級(jí)聯(lián)非線性過程的單光子頻率轉(zhuǎn)換也可用于實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)QSDC，從而為未來實(shí)現(xiàn)大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)通信奠定了基礎(chǔ)。

論文信息：

Qi, Z., Li, Y., Huang, Y. et al. A 15-user quantum secure direct communication network. Light Sci Appl 10, 183 (2021).

本論文通訊作者為江西師范大學(xué)李淵華教授和上海交通大學(xué)物理與天文學(xué)院陳險(xiǎn)峰教授。上海交通大學(xué)物理與天文學(xué)院博士生戚展彤、黃義文和李淵華教授為論文的共同第一作者。李淵華教授2017年在上海交通大學(xué)獲得博士學(xué)位（導(dǎo)師：陳險(xiǎn)峰）后，在江西師范大學(xué)從事科研和教學(xué)工作，2019年2月—2021年3月在陳險(xiǎn)峰教授研究組從事博士后（在職）研究。

論文地址：

https://doi.org/10.1038/s41377-021-00634-2

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編輯 | 趙陽

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