近日，北京量子信息科學研究院（以下簡稱“量子院”）與清華大學、北方工業(yè)大學相關團隊合作，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)定傳輸世界紀錄。2025年2月21日，相關成果以“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，標志著量子直接通信從理論構想成功邁向?qū)嶋H應用階段。

量子直接通信：構筑信息安全新防線

量子直接通信由清華大學龍桂魯團隊原創(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、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當下，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險的量子信道中實現(xiàn)安全可靠的通信，一直是該領域亟待攻克的核心難題。此前采用的雙向協(xié)議，通信雙方需進行量子態(tài)的往返傳輸，致使系統(tǒng)損耗極大，嚴重制約了通信性能的提升。

量子院團隊此前曾在2022年創(chuàng)造了100 公里的量子直接通信世界紀錄，但速率僅為0.5bps，僅能傳輸字數(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鍵。然而此前，國際上多個團隊（包括量子院團隊）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，研究團隊在龍桂魯教授領銜下，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)等系列關鍵技術，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難題，還完成了實用化通信端機的研制。在104.8km標準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的新征程。未來，量子直接通信系統(tǒng)有望廣泛應用于政務、金融等對信息安全要求極高的領域，切實增強通信安全性。

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/清華大學博士生劉雨辰，通訊作者為量子院科研副院長/清華大學教授龍桂魯，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)大學教授鄭超。該研究得到了北京市、國家自然科學基金、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。