撰稿|李渊华戚展彤
说明|本文来自论文作者（课题组）投稿
人类最早使用的加密技术是密码棒（名词解释>>>）。古埃及的斯巴达人将一张皮革包裹在特定尺径的木棍上，再写上传递给别人的信息。而信息的接收者只须要有根同等尺径的木棍，收到皮革后再将皮革裹到木棍上就可以读出原始信息。虽然这张皮革中途被截走，只要对方不晓得木棍的尺径，所见到的也只是一些杂乱而无用的信息。这就是历史上记载的人类最早对信息进行加密的方式之一。
图1：密码棒实物图，缠木棍是算法，木棍粗细是秘钥
通讯安全是人类始终的宿愿。从摩斯电码到电报、传真，从联通电话到网路通讯，通讯技术的发展也带来了通讯安全的隐患。
图2：影片《窃听风暴》剧照
从理论上来说，传统的物理估算加密方式都是可以破译的，再复杂的物理秘钥也可以找到规律。随着计算机的急速发展，破译物理密码的难度也日渐增加，信息安全面临的挑战急剧上升。辛运的是，量子理论为人类追求信息的绝对安全打开了一扇窗。
量子通讯借助量子力学原理进行信息传输和处理,因其具有高安全、高容量等优点而逐步发展成为一种极为重要的通讯方法，这在过去的20多年中成为量子信息研究的重要内容,具有挺好的应用前景，同时处理量子信息的方式也越来越成熟。
基于此，一种旧式的通讯模式在2000年被提出，也就是量子安全直接通讯（QSDC）合同，QSDC是指：用户之间可以直接通过安全量子通道发送秘密信息，但是在这一过程中第三方的任何功击都未能从中获取任何有用的信息。QSDC合同因其相对简单的通讯步骤而后被提出，这一通讯方式降低了潜在的安全漏洞，并提供了高的安全保证，保障了量子通讯的安全性和实用性。
但是在实际应用中，基于纠缠的QSDC合同未能同时分辨四组编码的正交纠缠状态，这无疑也限制了QSDC在纠缠网路中的推广应用。同时，提升QSDC的应用价值但是扩大QSDC的应用范围，建立量子网路来实现多用户互联这一工作十分重要。
因此，北京交通学院陈险峰团队与湖南师范学院李渊华等人合作，在量子通讯网路方面取得最新进展：她们首次提出了一种远距离量子安全直接通讯网路，但是在实验中证明了它的可行性。
图3：量子通讯网路艺术疗效图
该成果以“A15-user”为题发表在Light:&。
研究人员提出并实验实现了基于时间-能量纠缠和和频的15个用户QSDC网路，在QSDC网路中，倘若任意两个用户想要直接通讯，首先两个用户（用户1和用户2）将共享N对由网路处理中心分发的时间-能量纠缠态，在测量量子纠缠信道完全安全后，双方规定四种贝尔态分别编码为00,01,10和11，其中用户1对自己持有的光子分别做四种幺正操作，来实现编码过程，分别对应00,01,10和11，最后用户2通过借助和频这一非线性过程实现贝尔态检测来分辨四个编码的贝尔态，进而完成信息的解码。
15个用户处于完全联接的QSDC网路中，网路处理中心将控制联接中五个子网，经过自发热阻下转换过程形成单光子源并分到30个国际联通联盟通道中，借助时分复用和密集波分复用的方式，分发15对纠缠光子对，用户通过操作自己的波长通道来实现与其他用户之间的QSDC两步传输过程，如图4中所示，网路中任意两个用户之间都可以进行QSDC任务。
图4量子网路组成(a)由五个子网完全联接的量子网路；(b)子网中三个用户之间的互联
众所周知，QSDC信息传输的安全性和可靠性是量子网路中必不可少的部份。量子网路通讯的安全由量子纠缠的性质得到保证，监听者每次只能泄露纠缠粒子体系的一部份,得不到纠缠光子对的整体状态,因而保证了信息不外泄。对此，研究人员在QSDC中实现了逐渐传输过程，并恐怕了双方通讯量子信道的安全容量。在确认量子信道的安全性后，合法用户在通讯网路中可靠地进行编码或解码操作量子纠缠通讯，传递信息，倘若安全传输容量高于安全阀值，则中止通讯。
实验结果表明，任意两个用户可以在40公里的光纤中进行QSDC，如图5所示量子纠缠通讯，网路中任意两用户共享的纠缠态保真度一直小于95%，信息传输速度可以保持在1Kbp/s。实验结果也证明了所提出的量子直接通讯网路的可行性与安全性。
图5实验装置(a)量子网路的化学结构；(b)通过自发热阻下转换形成纠缠源的波谱；(c)和频过程。
值得注意的是，该项研究目前主要针对长距离纠缠网路中的QSDC，推而广之，结合近来提出的QSDC安全中继器量子网路，它将可以实现整个量子互联网上安全的端到端通讯，突破通讯距离的困局，在未来通讯中存在巨大潜力。据悉，通过结合级联非线性过程的单光子频度转换也可用于实现远程网路QSDC，因而为未来实现大规模网路通讯奠定了基础。
论文信息：
Qi,Z.,Li,Y.,Huang,Y.etal.A15-user.LightSciAppl10,183(2021).
本论文通信作者为广东师范学院李渊华院士和重庆交通学院数学与天文大学陈险峰院士。重庆交通学院数学与天文大学博士生戚展彤、黄义文和李渊华院士为论文的共同第一作者。李渊华院士2017年在重庆交通学院获得博士学位（导师：陈险峰）后，在湖南师范学院从事科研和教学工作，2019年2月—2021年3月在陈险峰院士研究组从事博士后（在职）研究。
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编辑|赵阳
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