恭喜！《Science Advances》发表！IF11.7的中科院1区Top综合期刊！含金量超高！

1798 人阅读发布时间：2025-02-24 17:00

文章已发表在SCI期刊Science Advances（最 .新中科院SCI期刊分区：综合性期刊1区Top，IF 11.7），评论可以沾沾好运~

标题为：Simultaneous transmission of information and key exchange using the same photonic quantum states

摘要

量子通信利用光子量子态实现信息论安全，例如量子安全直接通信（QSDC），能够在存在噪声和窃听者的信道中实现安全可靠的通信。然而，QSDC存在较大的损耗和较短的通信距离，使其在实际应用中受限。在本研究中，我们提出了一种基于单光子的单向准QSDC协议。该协议允许使用相同的单光子同时进行信息传输和密钥交换，并通过纠错和频谱扩展技术增强对损耗和错误的鲁棒性。在基于弱相干光脉冲的原理验证实验中，该系统在104.8公里的标准通信光纤上实现了每秒2.38千比特的实时安全传输速率，在这两方面均创下世界纪录。该系统为QSDC的实际应用铺平了道路，并提供了一种独特的方法用于在线检测窃听，这在某些特定场景中至关重要。

研究结果

图1 单向准QSDC的示意图

图2 在104.8公里传输距离下，信息传输速率和量子比特误码率（QBER）随时间变化（为期一周的数据收集）

图3 保密容量的模拟结果（曲线）与实验结果（符号）对比

图4 实验装置示意图

研究结论

我们提出了STIKE协议，该协议基于单光子，并通过诱骗态技术扩展至弱相干激光。值得注意的是，我们在实验中验证了该协议，在标准通信光纤中实现了1.25 GHz重复频率下104.8公里的通信。这一协议为实际应用中的远距离准QSDC奠定了基础，对于利用量子态构建天地海一体化的安全通信网络至关重要。

所提出的STIKE单向准QSDC不同于量子密钥分发（QKD）。在理想情况下（无误码和无损耗），安全密钥的消耗速率与生成速率相同，类似于一个可以永 .久重复使用的预共享密钥。然而，在实际应用中，密钥消耗通常大于密钥生成，因此需要额外的密钥协商来补偿安全密钥存储（SKS）中的密钥减少。

STIKE系统具有不同的运行模式。在一个极端情况下，STIKE仅用于密钥交换，即爱丽丝发送随机数而不使用共享密钥加密，这被称为完全密钥交换（FKE）模式。在另一个极端情况下，STIKE仅用于通信，此时消耗SKS中的安全密钥而不生成新密钥，称为完全通信（FC）模式。在FC模式下，由于其目标是可靠传输信息，因此量子比特误码率（QBER）可以高于通常设定的阈值（如11%）。该模式适用于信道中存在窃听者但通信任务过于紧急，无法等待窃听者撤离的情况。一旦SKS中的密钥耗尽，FC模式将停止运行。

为了解决密钥消耗大于密钥生成的问题，可以采用持续模式。在此模式下，传输数据时，每帧中的一部分被指定为掩码码字，而另一部分专门用于量子密钥交换（使用随机数）。这种方法虽然降低了通信带宽，但在密钥消耗和生成之间提供了平衡。通常，STIKE可以在标准模式下运行，即在预定的QBER条件下同时传输信息并提取新密钥。然而，由于信道损耗和噪声，生成的密钥数量往往少于消耗的密钥。因此，当SKS中的密钥数量降至警戒水平时，用户可以切换至FKE模式以补充密钥。当STIKE系统不用于通信时，它可以运行在FKE模式下进行密钥协商并填充SKS。针对实际应用的详细策略仍然是未来研究的一个重要方向。

在当前技术条件下，将该通信能力集成到经典网络中进行实际应用值得进一步探索，特别是在需要传输少量高度敏感信息的场景，例如国家安全保护和金融信息安全防护。在现有条件下，制定一条可行的路线以提高性能，可以集中于优化更高性能的设备和编码技术。例如，高重复频率光源和高效单光子探测器将有助于提升系统性能。同时，构建更高效的纠错编码并优化扩展比率以适应信道损耗，将进一步改善通信效果。这些改进将解决现有的局限性并拓宽潜在应用场景。在点对点系统性能提升的基础上，该方法还可扩展至自由空间通信和多用户网络应用。

致谢及评价

我们感谢 LetPub 在本论文 .撰write过程中提供的语言支持。