北京量子信息科学研究院潘栋 副研究员

2021 年，由 50 名国际著名通信专家联合撰写的6G 研究白皮书——《迈向 6G 无线通信网络：愿景、关键使能技术与新范式变革》的发布，将量子直接通信的巨大发展和应用潜力展现于世人面前。量子信息是当前科学技术发展的前沿领域，已成为国际竞争的战略高地。

近年来，量子计算的一大重要发展驱动是将其用于破解现有保密通信技术中基于特定数学难题的加密算法，而量子通信则利用量子原理保证信息安全，使窃听者无法获取传输内容或密码信息。

将量子通信作为未来量子互联网的基石，在原理上完全可以实现通达全球的安全通信。量子直接通信由清华大学龙桂鲁教授率先提出，是当前量子通信领域的重要研究方向之一，它利用量子态直接实现安全通信，具有窃听感知、阻止窃听、兼容现有网络、简化管理流程以及隐蔽传输等特性，为保障信息传输安全提供了全新解决方案。新美国安全中心报告《量子霸权？中国的雄心与对美国创新领导力的挑战》中指出，“量子直接通信可继续提高量子通信整体的安全性和价值定位”。2024 年，欧盟将量子直接通信写入其新版量子技术发展路线图。

基于以上背景，在龙桂鲁教授的指导下，北京量子信息科学研究院潘栋副研究员团队（以下简称“团队”）已多次实现量子直接通信的实验演示，引起广泛关注。

1 突破自由空间单光子量子直接通信实验，实现“量子波波夫无线通信”

自由空间量子通信无须铺设光纤，能有效突破传输距离、地形环境等因素制约，可跨越通信的“最后一公里”，同时基于卫星可实现全球量子通信。自单光子量子直接通信概念提出 16 年以来，由于其对量子态制备、调控和稳定传输的要求极为严苛，且自由空间链路具有大气湍流、强损耗、背景光干扰等复杂挑战，一直未能在自由空间环境中实现系统级实验演示。团队解决了量子态往返精确调制与解调、高损耗信道可靠传输、量子信道安全容量定量计算等系列难题，在国际上首次成功实现自由空间单光子量子直接通信。实验方案基于相位编码，对打破偏振编码路径依赖和建设天地一体量子网络具有重要参考意义。该系统能够实现文本、图片的安全可靠传输，标志着人类的量子“波波夫无线通信”的诞生。研究成果被美国光学学会评为 “Spotlight on Optics”，并在评述中指出，“该工作为正在发展的量子通信工具箱添加了一个令人激动的新工具，塑造了未来通信的基础架构”。

2 构建百公里城际量子直接通信里程碑系统

传统的研究常采用双向协议，通信双方需进行量子态的往返传输，系统损耗非常大。2022 年，100 km 的量子直接通信取得突破，但速率仅为 0.5 bit/s，仅能传输字数极少的报文。

在深入研究后，团队提出了单向量子直接通信理论，大幅降低通信系统损耗和复杂度，完成百公里量子直接通信系统研制（图 1），实现 2.38 kbit/s@104.8 km@168 h的高性能传输，速率较 2022 年提升 4760 倍，创下世界纪录。相关成果发表在Science Advances 并被媒体广泛报道。该系统已逐步在多种场景下开展试应用研究，标志着量子直接通信从理论构想迈向了实际应用阶段。

图1 百公里量子直接通信系统示意图

3 提出安全中继理论，构建端 - 端安全量子通信网络里程碑系统

为突破光量子信号在光纤传输中呈指数衰减的限制，团队提出了安全中继理论，完成涵盖光纤和自由空间链路的 3 节点量子网络系统原理演示，以量子直接通信传输后量子密码加密的密文，逐跳中继，延伸通信距离并确保信息全链路安全。

安全中继就是用量子直接通信和后量子密码为信息传输提供双重保护，这样经典中继的信息在后量子密码保护下就具有了可抵抗量子计算攻击的安全性，从而解决了现阶段技术条件下量子通信安全组网的重大难题，同时促进了后量子密码和量子直接通信两种技术的有机融合。该方案利用现有技术就可以建设具备端对端安全和量子窃听感知的全球量子通信网络，拥有兼容现有互联网和辅助未来量子互联网的优点，为现有互联网向未来量子互联网发展提供无缝隙的边运行边升级技术路线。

此外，团队还提出了量子通信感知一体化、有限长编码量子直接通信、融合经典密码 - 量子直接通信的高安全通信、不依赖于量子存储的纠缠量子直接通信等理论方案；提出经典 - 量子协同、使用非完美光源和无纠缠光源的测量设备无关的量子通信协议，并完成相应的信道容量定量计算；提出面向消息的纠缠分发、量子电路交换与分组交换协议与网络架构。从点对点、抗探测器攻击、多用户网络通信 3 方面提升量子通信的实用性。

4 推进量子直接通信在政务、金融、5G 等领域的试应用

量子直接通信的技术特点是在量子信道传输信息时可以及时发现窃听者并保证信息不泄露，具有高度安全性，适用于高度保密通信。未来，量子直接通信将与后量子密码等其他量子信息技术一道，为建设国家安全通信体系发挥重要作用。团队依托自身成果，开展了政务、金融、5G 等领域的试应用实验。

在政务领域，安全中继直接支撑了《北京市“十四五”时期国际科技创新中心建设规划》的制定，北京市正在推广和发展安全中继网络技术。此外，《北京市促进未来产业创新发展实施方案》提出，加快量子密钥分发、量子安全直接通信等创新突破，拓展量子通信在国防、金融等高保密等级行业的应用。

在金融领域，2022 年，团队和华夏银行、龙盈智达（北京）科技有限公司合作，开展量子直接通信技术的试点应用，服务于商业银行保密数据传输业务需求，在国际上首次实现了量子直接通信技术在金融领域的应用，产生了可观的经济社会效益。

在 5G 保密通信领域，2021 年，团队和中移（成都）信息通信科技有限公司达成合作协议，开始将量子直接通信系统试点应用于 5G 保密通信网络，以量子直接通信传输关键信令，提升 5G 保密专网的通信安全性。

5 结语

量子直接通信技术在被我国科学家率先提出后，经过 20 余年的发展，已从理论构想走向实际应用阶段。从单光子量子直接通信实验开始，到构建百公里城际量子直接通信系统，乃至后续构建量子通信网络，量子直接通信技术的瓶颈正一步步被突破。从论文中的理论到政务、金融等对信息安全要求极高的实践领域，这项研究成果开启了量子直接通信实用化建设的新征程。未来，量子直接通信系统有望得到更广泛的应用，切实增强通信安全性。

专家简介

潘栋，北京量子信息科学研究院副研究员。入选联合国教科文组织国际量子科学技术年量子百人（Quantum 100）榜单、中国科学技术协会青年人才托举工程、日本学术振兴会希望学者（HOPE Fellow），担任电气电子工程师学会通信学会（IEEE ComSoc）学生竞赛评审委员会委员、全国材料与器件科学家智库电子信息材料与器件专家委员会常务委员等。从事量子通信与量子网络研究，主持国家自然科学基金重大研究计划培育项目、国际（地区）合作与交流项目、青年科学基金项目（C 类），国家重点实验室开放课题等，已在 Science Advances、IEEE Communications Surveys & Tutorials 等期刊发表论文 30余篇，其中 2篇入选 ESI高被引论文。研究成果被列入《北京市“十四五”时期国际科技创新中心建设规划》“推动重点领域前沿技术引领”部分。

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