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)隊合作,，提出單向量子直接通信理論,，并成功研制出實用化系統(tǒng)，創(chuàng)造了[email protected]@168 小時的長距離穩(wěn)定傳輸世界紀(jì)錄,。2025年2月21日,，相關(guān)成果以“Simultaneous transmission of information and key exchange using the same photonic quantum states”為題發(fā)表在國際知名期刊《Science Advances》上，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,。

量子直接通信：構(gòu)筑信息安全新防線

量子直接通信由清華大學(xué)龍桂魯團(tuán)隊原創(chuàng)提出,，它借助量子態(tài)實現(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?。在信息安全日益重要的?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。

突破技術(shù)瓶頸,，實現(xiàn)從理論到現(xiàn)實的飛躍

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)險的量子信道中實現(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,。然而此前，國際上多個團(tuán)隊（包括量子院團(tuán)隊）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)實環(huán)境中開展單向量子直接通信困難重重。

針對這些問題,，研究團(tuán)隊在龍桂魯教授領(lǐng)銜下,，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)同時實現(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，還完成了實用化通信端機(jī)的研制,。在104.8km標(biāo)準(zhǔn)光纖通信實驗測試中,，實現(xiàn)了連續(xù)168小時、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,。

該項研究成果開啟了量子直接通信實用化建設(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),、金融等對信息安全要求極高的領(lǐng)域,，切實增強(qiáng)通信安全性。

圖1 單向量子直接通信理論方案

圖2 信息傳輸速率與量子比特誤碼率測試結(jié)果

該論文共同第一作者為量子院助理研究員潘棟,、量子院/清華大學(xué)博士生劉雨辰,，通訊作者為量子院科研副院長/清華大學(xué)教授龍桂魯，合作者還包括量子院牛鵬皓,、張浩然,、張飛昊、王敏,、宋蕭天,、陳秀偉，以及北方工業(yè)大學(xué)教授鄭超,。該研究得到了北京市,、國家自然科學(xué)基金,、低維量子物理國家重點實驗室、中國科協(xié)青年托舉計劃等支持,。