科技日报记者 史诗
从狼烟烽火到飞鸽传信，再到如今的电子通信，人类借助科技的力量让通信的距离越来越远。去年，北京量子信息科学研究院、清华大学龙桂鲁教授团队和陆建华教授团队合作，设计和实现了一种相位量子态与时间戳量子态混合编码的量子直接通信新系统，将通信距离刷新至100公里光纤，创下世界纪录。
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近日，龙桂鲁团队将100公里光纤中的量子直接通信速率提高到每秒5000比特，并准备从实验室走向真实环境进行测试。他预计，未来3到5年，量子直接通信可能在特殊场合应用，让人们实现接打“量子直接通信电话”的梦想。
“量子直接通信电话”怎么打
这种“量子直接通信电话”是采用量子直接通信进行的音频通信。“量子直接通信是一种以光的量子态作信息载体的量子通信形式。窃听会改变量子态，因此能被发现，量子直接通信通过感知窃听的能力，使窃听者听不到来保证信息安全。”龙桂鲁告诉科技日报记者，量子保密和经典保密的原理不同，二者互相补充。
一般情况下，经典通信只确保信息的可靠传输，不负责通信的安全。这时，密码学派上用场，采用数学变换把要传输的信息打乱，使窃听者听不懂，进而保证通信的安全。龙桂鲁进一步解释：“而量子直接通信则在可靠通信的基础上，进一步赋能安全特性，形成在噪声和窃听信道下的可靠和安全通信的新模式。也就是说，量子直接通信不仅要可靠地传输信息，而且还要使窃听者无法获得信息，保证信息安全。”
龙桂鲁介绍，去年的100公里量子直接通信，每秒可以传输半个比特，意味着城市之间可以使用量子直接通信发送电报。“现在我们进一步采用了单向传输和掩膜增容技术，将速率提高到每秒5000比特，这意味着城市间可以打‘量子直接通信电话’了。”龙桂鲁说。
拿起电话、拨通号码、接收方拿起电话，双方就可以通话了。打“量子直接通信电话”似乎跟传统座机电话并无二致。龙桂鲁解释称：“和经典的座机电话不同的是，一旦有窃听，‘量子直接通信电话’就会感知并发出警报，维护人员就可以去检查和消除窃听。‘量子直接通信电话’还可以转换路线或者转换到经典一次一密等其他安全模式，继续通话。”
如何组建量子互联网
“有规模地应用‘量子直接通信电话’需要组建网络。”龙桂鲁透露，未来，可以使用量子中继组建量子互联网。
不过，目前可以使用经典密码和经典中继，来构造安全中继量子网络。安全中继是指经典密码保护下的经典中继，把量子直接通信和经典密码结合，用量子直接通信传输经典密码加密后的密文，这样在经典中继节点，信息受到经典密码的保护；在通信链路，信息得到量子的保护，从而为网络提供端对端的安全性。
龙桂鲁说，这个过程就是把信息用经典密码加密成密文，用量子直接通信传输大约100公里，到一个叫作“中继”的地方，把密文从量子信号变成经典信号，再转换成量子信号，用量子直接通信接力传送，这样继续下去，最后送给收信人。
“如果用传输文件来比喻，经典加密就是用暗号写信。”龙桂鲁说，量子直接通信就像一辆带封闭车厢的邮车，经典中继就是信件中转站。用封闭邮车传送暗号写的文件，随后在中转站转交给下一辆邮车。“在交接时，人们看到的只是暗号，不是文件内容本身。最后的接收人才能读懂暗号所代表的文件内容。”他说。
龙桂鲁等研究人员已经在实验室初步构建了安全中继的量子直接通信网络，从“一对一”通信发展到了多人“群聊”。今后可以利用经典安全中继组网技术，建设广域的确保端对端安全的安全中继量子网络，支撑多种应用。
“未来，我们要让技术走出实验室，在实际的光纤网络中进行测试和试用，不断优化改进技术。”龙桂鲁说。
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