量子安全直接通信（QSDC）是量子通信的一个重要分支，可用于直接传输机密信息，其理论基础是量子力学。尽管有关的原理验证实验研究取得了显著进展，但是QSDC系统仍有待实施。
不过，据PHY.ORG 2月18日报道，在最近的一项研究中，一个团队提出并通过实验验证了一个实用的量子安全通信系统，研究结果发表在Light：Science＆Applications上。
在这项工作中，研究主导者 Ruoyang Qi 及其同事使用“Wyner wiretapchannel”理论分析了该系统的安全性。他们在高噪声和高损耗的现实环境中开发了一种使用级联（互连）低密度奇偶校验（LDPC）码的编码方案。该系统在1.5公里的距离内以1 MHz的重复率运行，并以50 bps的安全通信速率发送文本消息、大小适中的图像和语音。
图丨实验装置。用强衰减的1550nm激光器作近似单光子源，系统脉冲重复频率为1MHz。在实验设置中，Bob以两个具有相对相位的时间段的叠加将单个光子发送给Alice，并且Alice随机从两个可能的任务中选择一个，检查错误或编码。两侧均由现场可编程门阵列（FPGA）控制，并且使用商用铌酸锂调制器实现四个单光子状态的操作。PM相位调制器、PC偏振控制器、PBS偏振分束器、ATT衰减器、CIR光环行器、FC光纤耦合器、SPD超导纳米线单光子探测器，具有70％的探测效率，100 Hz暗计数率和50 ns复位时间、PMFC偏振保持滤波器耦合器、FR法拉第旋转器。（来源： Light: Science & Applications）
这项工作强调了一种QSDC形式，这种形式可以在没有分发密钥的情况下传输直接信息，从而避免受到攻击。在这项工作中，该团队使用1550 纳米的激光器生成带有安全量子信息的单光子，在收到信息后，科学家们能够成功解码信息。该方法也同样适用于现实环境中，尽管在现实环境中存在高光子损失以及由噪声引起的误差。他们在研究中使用纠错性能更好的标准LDPC码，其中该码由空间数据系统领事委员会（CCDS）实施，可用于近地和深空应用领域。
全球安全取决于安全的通信基础设施。目前，人们通过诸如RSA公共密钥方案之类的加密技术来保护通信。保密容量是指具有安全性和可靠性的所有可实现传输速率的上限。实际上，由于进行窃听检测十分困难，因此人们很难估计传统通信系统中的保密能力。在量子系统中，单光子或纠缠光子对可以传输数字信息，从而产生量子加密的新特征，而这在传统传输介质中却无法实现。从原则上讲，窃听行为会干扰信息传输，而这样设置也是为了更好地进行检测。
第一个量子通信协议由Bennett和Brassard（BB84）提出，它基于利用量子资源进行安全密钥协商的理论。2000年，有人提议QSDC可以在没有密钥的情况下直接传递信息，并消除与密钥存储和密文攻击相关的漏洞。随后的原理验证研究已经证明了基于QSDC的单光子和纠缠对，包括使用两步QSDC协议可以在500米的有效距离内进行通信的研究。
图丨实际DL04-QSDC协议的图示。“主通道”和“窃听通道”是离散的无记忆通道。主信道表示发送方和合法接收方之间的信道，而窃听信道表示发送方和窃听方之间的信道。（来源： Light: Science & Applications）
在此研究中，团队使用基于DL04协议（没有密钥）的过程实现了实用的量子安全直接通信系统运行。为了在实践中实施QSDC系统，根据Wyner窃听模型，系统应该低于信道的保密能力以进行安全的信息传输。科学家使用互连的低密度奇偶校验（LDPC）码估算了系统的保密能力。他们设计的方案专门用于解决高损耗和高误码率问题，这也是量子通信的独特之处。这表明QSDC平台可以在现实环境中高效运行。
在实施DL04-QSDC协议时，他们的设计包括一个离散的无记忆“主要通道”和一个“窃听通道”。其中，主要通道代表发送者和接收者之间的网络，窃听通道代表合法用户和窃听者之间的网络。该协议包含四个步骤：
1.假设Bob是一个的合法信息接收者，他准备了一系列量子比特，每个量子位随机处于四种状态之一（| 0>，| 1>，| +>和| - >）。然后，他将状态序列发送给信息发送者Alice。
2.在收到单光子序列后，Alice随机选择其中一些并对其进行测量。她公布了这些单光子的位置、测量基础和测量结果。Bob将这些信息与他对这些状态的准备进行比较，并估计Bob-to-Alice频道的误码率，并通过广播信道通知Alice。然后，Alice可以使用窃听信道理论估计Bob-to-Alice信道的最大保密容量（Cs）。
3. Alice选择剩余量子位的编码序列，其中，该方案基于互连的LDPC码。然后，她需要构造代码字并将其反馈给Bob。
4. Bob测量其准备的相同基础上的量子位后，从收到的信号中解码Alice的消息。如果错误率低于LDPC码的校正能力，则传输成功。然后，他们再次从步骤1开始发送另一部分秘密消息，直到他们完全传输整个消息。如果错误率大于LDPC码的校正容量，则Bob和窃听者Eve都不能获得信息，在这种情况下，需要终止进程。
Ruoyang Qi和同事在实验中使用高衰减激光作为近似单光子源。为了更好地模拟单个光子源以检测窃听攻击，他们使用诱饵状态量子密钥分发方法。如果任何窃听信道的保密容量不为零，即如果合法接收器具有比窃听者更好的信道，则存在一些根据Wyner模型实现完全保密的编码方案。然而，并非所有编码方案都安全，而这基本上取决于编码的细节。
图丨左：实验装置。右：具有不同消息块的系统稳定性。ex和ez分别是Alice的站点上使用X基和Z基的测量误差率。e是Bob网站的错误率。错误率是逐块估计的； 每个块包含1312×830个脉冲。平均光子数为0.1。量子信道的固有损耗为14.5 dB，其中包括检测器的效率，约70％和光学元件，约为13 dB。在1.5 km的距离内，系统的总损耗为25.1 dB。（来源： Light: Science & Applications）
然后，他们在具有相位编码的光纤系统中实施了该方案，这能用于远距离量子通信。在这种设置中，Bob准备了一系列单光子脉冲，在偏振控制和衰减之后，将脉冲改为随机量子比特，并通过1.5公里长的光纤发送到Alice的站点。到达Alice的站点后，它会分成两部分，一部分进入编码模块，另一部分进入控制模块进行错误检查，由设置好的现场可编程门阵列（FPGA）控制。
同时编码发生在编码模块中。如果误码率小于阈值，则允许部分编码通过相同的光纤将单个光子发送回Bob，在那里诱导它们进入单光子探测器，并对其进行测量。科学家控制由三相调制器（PM）和单光子探测器（SPD）组成的设置，使用FPGA对两个站点的消息进行编码，这些FPGA由上位机控制。
图丨实线代表Alice和Bob之间的互信息。通过噪声信道编码定理，传输速率不能超过主要通道的容量。虚线是Alice和Eve之间的互信息，是窃听者可以获得的最大信息。符号代表实验结果。与所选择的LDPC码一起，当误码率低于10 ^ -6时，编码方案产生0.00096的传输速率。由于速率大于Alice和Eve之间的互信息，因此确保了信息传输的安全性和可靠性。（来源：Light: Science & Applications）
在实验结果中，他们用两条直线表示交互信息与系统损失。这两条线之间的区域形成了信息理论安全区域。结果，对于具有指定区域内的信息速率的编码方案来说，这可以可靠地保证安全性。使用实验装置，Ruoyang Qi获得了50 bps的安全信息速率，并且完全在规定的安全区域内。
图丨编码方案的例证。消息m与本地随机比特r和公共随机种子s一起由反向通用散列系列UHF-1处理到矢量u，然后u由LDPC码改变为v，其被映射到码字c然后发送到接收者的网站。由于丢失和出错，接收方Bob接收到降级的码字，然后在执行通用散列家族UHF之后解映射，解码并获得该消息。（来源： Light: Science & Applications）
科学家们展示了一种编码方案，以保证基于互连LDPC码的QSDC传输的可靠性。预处理基于通用散列系列（UHF）。在该过程中，对于每个消息（m），发送方Alice生成随机比特（r）和公共随机种子的本地序列。接下来，她通过适当选择的UHF（UHF-1）的倒数映射到矢量（u），然后通过LDPC码将其改变为（v），映射到码字（c）并发送到接收器的站点。
在信息理论中，噪声信道编码定理为通信信道的任何给定程度的噪声污染提供可靠的通信基础。为了确保信息的可靠性，Alice调制到达合法接收器Bob的脉冲，合作接收器Bob以与准备它们相同的基础进行测量。由于丢失和错误，Bob收到一个降级的代码字，在使用UHF进行后处理后，他会对其进行解映射和解码以获取消息。
通过这种方式，人们可以在高噪声和高损耗的现实环境中应用实用的QSDC系统。在其他技术中，科学家们使用LDPC码来减少系统中的错误和丢失现象。他们使用Wyner wiretapchannel理论深入分析了系统的安全性。当保密能力不为零时，信息速率小于保密容量的编码方案确保了信息传输的 安全性和可靠性。总的来说，科学家们在1.5公里的实际距离内得到了50 bps的安全信息率。Ruoyang Qi和同事表示，这些参数是不成熟的，他们正设想一种改进的系统，该系统可以实现更高的信息传输速率，能达到几十千比特每秒。
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