用带缺陷的探测器也能进行量子直接通信？

量子计算机对现代通信安全提出了严重挑战，量子保密通信是应对这一挑战的重要技术。1984年Bennett和Brassard提出的量子密钥分发，1999年Hillery、Bužek、Berthiaume提出的量子秘密共享和2000年龙桂鲁、刘晓曙提出的量子安全直接通信（Quantum Secure Direct Communication，简称QSDC、量子直通）[1]是三个最主要的量子保密通信理论。

窃听光量子会改变其状态而被检测发现。量子密钥分发和量子秘密共享通过检测传输的随机数是否被窃听，决定放弃传输数据或者将其升级为密钥，再通过经典信道传输信息。经典通信没有窃听感知能力，两个交谈的人感知不到他们的谈话已被躲在暗处的窃听者偷听。量子密钥分发和秘密共享拥有窃听感知能力，但是无法阻止窃听者窃取信息，不能直接进行通信或共享信息。为此，他们就先传输一队随机数，检测是否被窃听，如果发现被窃听则丢弃传输的随机数，如果确认没有被窃听则将传输的随机数作为密钥。

量子直通在感知窃听的基础上，更进一步有了抵抗窃听的能力，不仅能发现有人窃听而且让窃听者得不到任何信息，从而实现直接安全的通信。之所以能够这样，是因为量子直通采用了“数据块传输”的方式，在传输过程中在块内发现窃听，不使信息泄露，从而实现直接通信[1-3]。量子直通是经典通信在量子领域的发展，Shannon理论保证了在噪声信道下信息的可靠传输，而Wyner搭线信道理论则保证了量子直通在既有噪声又有窃听的信道中信息的可靠和安全通信。由于减少了密钥分发和管理等环节，量子直通的安全性得到进一步提高，并且可以在多方面应用。美国国土安全部战略局主任John Costello指出，量子直通可在整体上提高量子通信的安全和价值[4]。2019年，具有实用价值的量子直通样机已经成功研制[5]。

量子直通在实现中遇到仪器有缺陷的问题，特别是测量仪器的缺陷。量子直通传输的是信息，安全性要求高，使用带缺陷的探测器能进行量子直通吗？在SCIENCE CHINA Physics, Mechanics & Astronomy（《中国科学：物理学 力学 天文学》英文版）2020年第3期发表的题为“Measurement-device-independent quantum secure direct communication”的文章中[6]，清华大学龙桂鲁、殷柳国教授，南京邮电大学盛宇波教授和英国皇家工程院院士、南安普顿大学Lajos Hanzo教授等团队合作构建了测量设备无关的量子直通（MDI-QSDC）协议，解决了这一问题。同期发表了谢心澄院士为此文撰写的主编点评[7]。

这个协议中，不仅可以使用有缺陷测量仪器，并且测量实施者还可以是不可信任的人，他虽然不能搞破坏和拒绝服务、一旦发现有问题可随时撤换，但他可以造假、窃听。协议的原理如下图所示。

图：MDI-QSDC过程原理图。其中红色虚线框中设备构成了线性光学贝尔基测量装置，两个绿色虚线框中的红色圆点表示单光子，蓝色圆点表示纠缠光子对。

信息发送方随机地将单光子或者是纠缠光子对的一个粒子发给测量人，信息接收方则发送单光子给测量人。测量人将两边送来的粒子做贝尔基测量并公布结果。通信双方随机选择部分粒子公开状态，检测量子信道是否安全。确认安全后信息发送方再对他手中粒子操作加载信息后送给测量人，测量人测量后公布结果，信息接收方就能得到发送方传来的信息了。此MDI-QSDC方案是基于单光子的DL04-QSDC协议[3]的MDI升级版本。团队中的部分成员还完成了对基于纠缠光子对的两步方案量子直通协议[1,2]的MDI升级[8]。该方案还可以推广到更长距离的情况[9]。对于所有仪器都有缺陷的情况，仪器无关QSDC协议也已经完成[10]。为了进行块传输，需要量子存储，而现在还没有实用化的量子存储，最近不需要量子存储的量子直接通信方案也已构造[11]，至此，实用化量子直接通信的已知关键问题都已解决。

参考文献：

[1] Long G L, Liu X S. Theoretically efficient high-capacity quantum-key-distribution scheme. Physical Review A, 2002, 65(3): 032302, arXiv: quant-ph/0012056.[2] Deng F G, Long G L, Liu X S. Two-step quantum direct communication protocol using the Einstein-Podolsky-Rosen pair block. Physical Review A, 2003, 68(4): 042317.[3] Deng F G, Long G L. Secure direct communication with a quantum one-time pad. Physical Review A, 2004, 69(5): 052319.[4] E. B. Kania, J. K. Costello. Quantum hegemony? China’s ambitions and the challenge to U.S. innovation leadership. Accessed on: Aug. 3, 2019. [Online]. Available: https:// s3.amazonaws.com/files.cnas.org/documents/CNASReport-Quantum-Tech_FINAL.pdf.[5] Qi R, Sun Z, Lin Z, et al. Implementation and security analysis of practical quantum secure direct communication. Light: Science & Applications, 2019, 8(1): 22.[6] Zhou Z R, Sheng Y B, Niu P H, et al. Measurement-device-independent quantum secure direct communication. Science China-Physics, Mechanics & Astronomy, 2020, 63(3): 230362, arXiv: 1805.07228.[7] Xie X C. Quantum secure direct communication with an untrusted Charlie using imperfect measurement devices. Science China-Physics, Mechanics & Astronomy, 2020, 63(3): 230361.[8] Niu P H, Zhou Z R, Lin Z S, et al. Measurement-device-independent quantum communication without encryption. Science Bulletin, 2018, 63(20): 1345-1350.[9] Gao Z, Li T, Li Z. Long-distance measurement-device-independent quantum secure direct communication. Europhysics Letters, 2019, 125(4): 40004.[10] Zhou L, Sheng Y B, Long G L. Device-independent quantum secure direct communication against collective attacks. Science Bulletin, 2020, 65(1): 12-20.[11] Sun Z, Qi R, Lin Z, et al. Design and implementation of a practical quantum secure direct communication system. 2018 IEEE Globecom Workshops (GC Wkshps). IEEE, 2018: 1-6.

通讯作者简介

龙桂鲁，清华大学物理系教授、博士生导师。国家杰出青年基金获得者、美国物理学会会士、英国物理学会会士，曾任亚太物理学会联合会（AAPPS 2017–2019）主席。主要研究方向包括量子通信与计算以及微腔光学。

殷柳国，清华大学信息科学技术学院教授、博士生导师。入选教育部长江学者青年学者、中组部国防科技领域青年拔尖人才。主要研究方向为空天通信技术、宽带无线多媒体通信技术、LDPC编译码技术、物理层安全通信技术等。