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#Science Bulletin
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近日，南京邮电大学盛宇波教授、周澜副教授和清华大学龙桂鲁教授合作，提出了一种仅需要传输一步纠缠的量子安全通信方案，这是高效率量子通信研究迈出的重要一步。该研究成果目前已发表于Science Bulletin上。
量子通信根据功能的不同，主要分为量子密钥分发、量子秘密共享和量子安全直接通信三种模式。量子密钥分发是1984年由沃尔夫奖获得者美国科学家Bennett和加拿大科学家Brassard提出的。通信双方通过分发一系列的单光子，在双方共享随机密钥。然后利用共享的密码，结合“一次一密”，辅助经典通信实现保密通信。因此，要实现一次保密通信，需要传输一轮量子态，另外需要三轮经典通信（两轮经典通信来进行基矢的比对，一轮经典通信传输密文）。量子秘密共享是1999年由Hillery等三位科学家提出，可以看成是多方的量子密钥分发。量子密钥分发和量子秘密共享在发现窃听的时候，有部分密钥泄露，因此不能直接传输信息。2000年，清华大学龙桂鲁教授等提出量子安全直接通信理论，不需事先建立密钥，利用两个纠缠粒子直接传输秘密信息。既能发现窃听，还能保证发现窃听之前的信息不泄露，是一种在既有噪声又有窃听的信道下的可靠和安全通信。近些年，量子安全直接通信进展迅速。2016年，山西大学肖连团教授团队和清华大学龙桂鲁教授团队合作，完成首个单光子量子安全直接通信原理演示实验。2017年，中国科学技术大学郭光灿院士、史保森教授团队和南京邮电大学盛宇波教授合作，利用最先进的量子存储器，完成了首个基于纠缠的量子安全直接通信。随后，清华大学张巍、黄翊东教授和南京邮电大学盛宇波教授合作，完成了500米光纤传输距离的量子安全直接通信。2020年，北京量子信息科学研究院和清华大学龙桂鲁教授、殷柳国教授团队成功研制首台具有实用价值的量子安全直接通信样机，并在中关村论坛作为重大成果发布。2021年，上海交通大学陈险峰教授和江西师范大学李渊华教授合作，实现了首个远距离量子安全直接通信网络。量子直接通信越来越得到重视。尤肖虎教授，张平院士、英国皇家工程院Lajos Hanzo院士、美国科学院Vincent Poor院士等50位国际著名通信专家撰写的《6G研究白皮书》于2021年发布。《6G研究白皮书》指出量子安全直接通信是一种高安全性协议，在下一代安全通信方面将具有巨大的潜力。传统的量子安全直接通信理论需要两步光子传输。第一步传输光子后，判断信道有无窃听，如果没有窃听，再将剩余光子编码，经过第二步传输后解码获取信息。两步光子传输会增加额外的损耗，限制了安全通信距离和通信容量。盛宇波等研究人员发现，只需传输一步光子就能实现量子安全直接通信。首先在通信双方分发极化和路径分别处于纠缠的超纠缠光子对，随后将极化纠缠用于编码，利用路径纠缠辅助经典通信进行解码。该方案通过分发一步纠缠光子，辅助一次经典通信就可以实现2比特信息的安全传输。数值分析表明，在有噪声环境下，极化、空间纠缠保真度处于0.98时，其安全通信距离依然能够达到215公里。 该研究提升了通信效率，为未来高速率量子通信网络提供了理论支持，是高效率量子通信研究迈出的重要一步。
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