近日，北京量子信息科學(xué)研究院（以下簡稱量子院）與清華大學(xué)、北方工業(yè)大學(xué)相關(guān)團(tuán)隊(duì)合作，提出單向量子直接通信理論，并成功研制出實(shí)用化系統(tǒng)，創(chuàng)造了2.38kps@104.8km@168小時(shí)的長距離穩(wěn)定傳輸世界紀(jì)錄，標(biāo)志著量子直接通信從理論構(gòu)想成功邁向?qū)嶋H應(yīng)用階段。相關(guān)成果發(fā)表于《科學(xué)進(jìn)展》。
量子直接通信由量子院科研副院長、清華大學(xué)教授龍桂魯團(tuán)隊(duì)原創(chuàng)提出，它借助量子態(tài)實(shí)現(xiàn)安全通信，具有竊聽感知、阻止竊聽、兼容現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)、簡化管理流程以及隱蔽傳輸?shù)任宕筇匦浴Ｔ谛畔踩找嬷匾漠?dāng)下，量子直接通信為保障信息傳輸安全提供了全新解決方案。
如何利用能量極低且極易受干擾的量子態(tài)，在高噪聲、高損耗以及存在竊聽風(fēng)險(xiǎn)的量子信道中實(shí)現(xiàn)安全可靠的通信，一直是該領(lǐng)域亟待攻克的核心難題。此前采用的雙向協(xié)議，通信雙方需進(jìn)行量子態(tài)的往返傳輸，致使系統(tǒng)損耗極大，嚴(yán)重制約了通信性能的提升。量子院團(tuán)隊(duì)此前曾在2022年創(chuàng)造了100公里的量子直接通信世界紀(jì)錄，但速率僅為0.5bps，僅能傳輸字?jǐn)?shù)極少的報(bào)文。單向傳輸可將量子態(tài)傳輸距離縮短一半，大幅降低損耗，是提升量子直接通信性能的關(guān)鍵。此前，國際上多個(gè)團(tuán)隊(duì)提出的單向量子直接通信方案，僅在無損耗的理想條件下可行，在高損耗和高噪聲的現(xiàn)實(shí)環(huán)境中開展單向量子直接通信困難重重。
針對(duì)這些問題，龍桂魯團(tuán)隊(duì)與合作者成功突破了高噪高損信道編碼、信道掩碼增容、高速量子態(tài)調(diào)制解調(diào)等系列關(guān)鍵技術(shù)，提出單向量子直接通信理論方法，利用同一組光量子態(tài)同時(shí)實(shí)現(xiàn)了信息的安全傳輸與密鑰協(xié)商。這一突破不僅成功解決了量子直接通信的技術(shù)難題，還完成了實(shí)用化通信端機(jī)的研制。在104.8km標(biāo)準(zhǔn)光纖通信實(shí)驗(yàn)測試中，實(shí)現(xiàn)了連續(xù)168小時(shí)、速率為2.38kbps的穩(wěn)定傳輸，與2022年的系統(tǒng)相比，速率提升了4760倍，極大地提升了量子直接通信的性能。
該項(xiàng)研究成果開啟了量子直接通信實(shí)用化建設(shè)的新征程。未來，量子直接通信系統(tǒng)有望廣泛應(yīng)用于政務(wù)、金融等對(duì)信息安全要求極高的領(lǐng)域，切實(shí)增強(qiáng)通信安全性。
相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1126/sciadv.adt4627
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