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为解决量子安全直接通信（QSDC）损耗大、通信距离短的问题，研究人员开展单向单光子准 QSDC 协议研究，实现长距离高速安全传输，为其实际应用奠定基础。
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量子通信研究背景与意义
在信息时代，数据安全至关重要。随着量子计算的飞速发展，传统加密算法如 Rivest-Shamir-Adleman 算法面临严峻挑战。量子通信基于量子力学原理，成为保障信息安全的有力解决方案。量子通信主要包括量子密钥分发（QKD）和量子安全直接通信（QSDC）。QSDC 能在有噪声和窃听者的信道中直接传输信息，无需预先建立密钥，且具有隐蔽传输、无需频率许可、避免射频干扰等优势，在特定应用场景中独具价值。
然而，QSDC 存在明显缺陷。在单光子 DL04 QSDC 协议中，光子需在用户间来回传输，导致损耗巨大，严重限制了通信距离，阻碍了其实际应用。为突破这些瓶颈，研究人员致力于探索新的协议和技术，以实现长距离、高效、安全的量子通信，构建更可靠的信息安全防线。
研究团队与研究内容
在此背景下，研究人员开展了基于单光子的单向准量子安全直接通信（QSDC）协议的研究。该研究设计并搭建了原理验证原型系统，旨在验证新协议的可行性与优势，推动 QSDC 从理论走向实际应用。
研究方法
研究人员构建了 Faraday-Michelson 系统，该系统通过独特的相位编码基础设施实现了制备 - 测量过程，避免了传输路径中双折射对相位调制的影响，无需额外的偏振校准模块，保证了高度稳定的干涉。实验采用 1550-nm 波长、重复频率 1.25 GHz、脉冲宽度 50 ps 的信号脉冲，利用强度调制器将脉冲调制成信号态和两种诱饵态（平均光子数分别为
、
和
，即真空态），再经衰减达到所需平均光子数水平。在接收端，Bob 使用两个 InGaAs/InP 单光子探测器记录接收的光子，其检测效率为 20%，暗计数率为
。
为应对信道损耗，研究人员针对不同通信距离设置了不同的扩频比，如 104.8 km 时为 1:3840，81.1 km 时为 1:768，50.3 km 时为 1:192 。同时，采用基于渐进边增长法的速率自适应低密度奇偶校验（LDPC）码进行纠错，利用通用哈希函数类和优化乘法算法实现隐私放大，纠错效率
为 1.05。
研究结果
STIKE 协议
研究提出的同时传输信息和密钥交换（STIKE）协议包含预处理、制备 - 测量和后处理三个部分，共 12 个步骤。该协议基于可重复经典一次性密码本（RECON）协议，实现了信息与密钥的同步传输。在预处理阶段，Alice 通过前向纠错（FEC）编码对信息
进行编码，再用共享密钥序列
加密，并利用 “掩码增加容量”（INCUM）技术进一步处理；制备 - 测量阶段，Alice 随机选择 Z 或 X 基制备量子态并发送给 Bob，Bob 随机选择测量基进行测量，之后双方对比基的选择情况并计算量子误码率（QBER）；后处理阶段，Bob 通过解掩码、解密等操作获取信息，同时 Alice 和 Bob 对部分数据进行纠错和隐私放大，提取新的密钥补充到安全密钥库（SKS） 。
该协议具有多项优势，它使用扩频技术克服损耗，INCUM 技术增加容量并减少共享密钥消耗，测量基无需同步，且可结合诱饵态方法使用弱相干脉冲替代理想单光子。此外，协议对光纤和自由空间传输均适用，与现有网络兼容，未来还可应用于量子互联网。
性能分析
根据 Wyner 窃听信道理论，当 QBER 低于 11% 的阈值时，STIKE 协议的安全信道容量
大于零，此时存在经典编码可实现安全可靠的信息通信。结合诱饵态方法，可得出 STIKE 协议的保密容量。研究还指出，信息安全性由一次性密码本保证，只要能可靠传输信息，通信容量
可大于安全信道容量。不过，实际应用中需考虑有限编码长度对保密容量和最大安全传输距离的影响。
实验结果
研究人员对系统进行了测试，在 104.8 km 的标准电信光纤中传输图像文件，168 小时测试期间的平均信息传输速率为 2.38 kbps，平均 QBER 为 3.60%。在 50.3 km 和 81.1 km 距离进行 1 小时传输测试时，平均信息传输速率分别为 34.08 kbps 和 11.36 kbps ，平均 QBER 分别为 2.94% 和 3.20%，所有结果均为实时通信速率。实验表明，STIKE 协议能在长距离保持高可靠通信速率，其在 81.1 km 和 104.8 km 的保密容量超过双向 QSDC 的上限，相比之前双向 QSDC 实验结果，在约 80 km 处保密容量提高了三个数量级。基于实验设备参数，通信距离有望超过 150 km。
研究结论与讨论
研究人员提出的 STIKE 协议，经实验验证可在 104.8 km 标准电信光纤中实现高速率安全传输，为长距离准 QSDC 的实际应用开辟了道路，对构建天地海一体化安全通信网络意义重大。
该协议与 QKD 不同，具有多种操作模式。理想情况下，密钥消耗与生成速率相同，但实际中密钥消耗通常大于生成，可通过持续模式、标准模式等进行调节。在标准模式下，当 SKS 中的密钥数量不足时，可切换到全密钥交换（FKE）模式补充密钥；而在全通信（FC）模式下，即使存在窃听且 QBER 大于预定阈值，也能在紧急情况下实现信息传输。
在当前技术条件下，将该通信能力集成到经典网络中具有重要探索价值，尤其适用于传输少量高敏感信息，如国家安全和金融领域。未来研究可聚焦于使用更高性能设备（如高重复率光源和高效单光子探测器）、优化编码（构建更高效纠错码和调整扩频比），以进一步提升性能，拓展其在自由空间通信和多用户网络场景的应用。该研究成果发表于Science Advances ，为量子通信领域的发展提供了重要参考，推动了量子通信从理论研究迈向实际应用的进程。
