量子安全直接通讯(QSDC)是量子通讯的一个重要分支，可用于直接传输绝密信息，其理论基础是量子热学。虽然有关的原理验证实验研究取得了明显进展，并且QSDC系统仍有待施行。
不过，据PHY.ORG2月18晚报道，在近来的一项研究中，一个团队提出并通过实验验证了一个实用的量子安全通讯系统，研究结果发表在Light：＆上。
在这项工作中，研究主导者Qi及其朋友使用“Wyner”理论剖析了该系统的安全性。她们在高噪音和高耗损的现实环境中开发了一种使用级联(互连)低密度奇偶校准(LDPC)码的编码方案。该系统在1.5公里的距离内以1MHz的重复率运行，并以50bps的安全通讯速度发送文本消息、大小适中的图象和语音。
图丨实验装置。用强衰减的激光器作近似单光子源，系统脉冲重复频度为1MHz。在实验设置中，Bob以两个具有相对相位的时间段的叠加将单个光子发送给Alice，但是Alice随机从两个可能的任务中选择一个，检测错误或编码。两边均由现场可编程门阵列(FPGA)控制，而且使用商用载流子调制器实现四个单光子状态的操作。PM相位调制器、PC偏振光控制器、PBS偏振光分束器、ATT衰减器、CIR光环行器、FC光纤耦合器、SPD超导纳火锅单光子侦测器，具有70％的侦测效率，100Hz暗计数率和50ns复位时间、PMFC偏振光保持混频器耦合器、FR法拉第旋转器。(来源：Light:&)
这项工作指出了一种QSDC方式，这些方式可以在没有分发秘钥的情况下传输直接信息，进而防止遭到功击。在这项工作中，该团队使用1550纳米的激光器生成带有安全量子信息的单光子，在收到信息后，科学家们才能成功解码信息。该方式也同样适用于现实环境中，虽然在现实环境中存在高光子损失以及由噪音造成的偏差。她们在研究中使用纠错性能更好的标准LDPC码，其中该码由空间数据系统领事委员会(CCDS)施行，可用于近地和深空应用领域。
全球安全取决于安全的通讯基础设施。目前，人们通过例如RSA公共秘钥方案之类的加密技术来保护通讯。保密容量是指具有安全性和可靠性的所有可实现传输速度的上限。实际上，因为进行监听测量非常困难，因而人们很难恐怕传统通讯系统中的保密能力。在量子系统中，单光子或纠缠光子对可以传输数字信息，进而形成量子加密的新特点，而这在传统传输介质中却未能实现。从原则上讲，监听行为会干扰信息传输，而这样设置也是为了更好地进行测量。
第一个量子通讯合同由和(BB84)提出，它基于借助量子资源进行安全秘钥协商的理论。2000年，有人提议QSDC可以在没有秘钥的情况下直接传递信息，并清除与秘钥储存和密文功击相关的漏洞。此后的原理验证研究早已证明了基于QSDC的单光子和纠缠对，包括使用两步QSDC合同可以在500米的有效距离内进行通讯的研究。
图丨实际DL04-QSDC合同的图示。“主通道”和“窃听通道”是离散的无记忆通道。主信道表示发送方和合法接收方之间的信道，而监听信道表示发送方和监听方之间的信道。(来源：Light:&)
在此研究中，团队使用基于DL04合同(没有秘钥)的过程实现了实用的量子安全直接通讯系统运行。为了在实践中施行QSDC系统，依照Wyner监听模型，系统应当高于信道的保密能力以进行安全的信息传输。科学家使用互连的低密度奇偶校准(LDPC)码计算了系统的保密能力。她们设计的方案专门用于解决高耗损和高误帧率问题，这也是量子通讯的奇特之处。这表明QSDC平台可以在现实环境中高效运行。
在施行DL04-QSDC合同时，她们的设计包括一个离散的无记忆“主要通道”和一个“窃听通道”。其中，主要通道代表发送者和接收者之间的网路，监听通道代表合法用户和监听者之间的网路。该合同包含四个步骤：
1.假定Bob是一个的合法信息接收者，他打算了一系列量子比特，每位量子位随机处于四种状态之一(|0>，|1>，|+>和|->)。之后，他将状态序列发送给信息发送者Alice。
2.在收到单光子序列后，Alice随机选择其中一些并对其进行检测。她公布了这种单光子的位置、测量基础和检测结果。Bob将这种信息与他对这种状态的打算进行比较，并恐怕Bob-to-Alice频道的误分辨率，并通过广播信道通知Alice。之后，Alice可以使用监听信道理论恐怕Bob-to-Alice信道的最大保密容量(Cs)。
3.Alice选择剩余量子位的编码序列，其中，该方案基于互连的LDPC码。之后，她须要构造代码字并将其反馈给Bob。
4.Bob检测其打算的相同基础上的量子位后，从收到的讯号中解码Alice的消息。倘若错误率高于LDPC码的校准能力，则传输成功。之后，她们再度从步骤1开始发送另一部份秘密消息，直至她们完全传输整个消息。倘若错误率小于LDPC码的校准容量，则Bob和监听者Eve都不能获得信息，在这些情况下，须要中止进程。
Qi和朋友在实验中使用高衰减激光作为近似单光子源。为了更好地模拟单个光子源以测量监听功击，她们使用诱饵状态量子秘钥分发方式。倘若任何监听信道的保密容量不为零，即若果合法接收器具有比监听者更好的信道，则存在一些依照Wyner模型实现完全保密的编码方案。但是，并非所有编码方案都安全，而这基本上取决于编码的细节。
图丨左：实验装置。右：具有不同消息块的系统稳定性。ex和ez分别是Alice的站点上使用X基和Z基的检测偏差率。e是Bob网站的错误率。错误率是逐块恐怕的；每位块包含1312×830个脉冲。平均光子数为0.1。量子信道的固有耗损为14.5dB，其中包括检查器的效率，约70％和光学器件，约为13dB。在1.5km的距离内，系统的总耗损为25.1dB。(来源：Light:&)
之后，她们在具有相位编码的光纤系统中施行了该方案，这能用于远距离量子通讯。在这些设置中，Bob打算了一系列单光子脉冲，在偏振光控制和衰减以后，将脉冲改为随机量子比特，并通过1.5公里长的光纤发送到Alice的站点。抵达Alice的站点后，它会分成两部份，一部份步入编码模块，另一部份步入控制模块进行错误检测，由设置好的现场可编程门阵列(FPGA)控制。
同时编码发生在编码模块中。假如误分辨率大于阀值，则容许部份编码通过相同的光纤将单个光子发送回Bob，在那儿诱导它们步入单光子侦测器，并对其进行检测。科学家控制由单相调制器(PM)和单光子侦测器(SPD)组成的设置，使用FPGA对两个站点的消息进行编码，这种FPGA由上位机控制。
图丨虚线代表Alice和Bob之间的互信息。通过噪音信道编码定律，传输速度不能超过主要通道的容量。实线是Alice和Eve之间的互信息，是监听者可以获得的最大信息。符号代表实验结果。与所选择的LDPC码一起，当误分辨率高于10^-6时，编码方案形成0.00096的传输速度。因为速度小于Alice和Eve之间的互信息量子通讯协议，因而确保了信息传输的安全性和可靠性。(来源：Light:&)
在实验结果中，她们用两条直线表示交互信息与系统损失。这两条线之间的区域产生了信息理论安全区域。结果，对于具有指定区域内的信息速度的编码方案来说，这可以可靠地保证安全性。使用实验装置，Qi获得了50bps的安全信息速度，而且完全在规定的安全区域内。
图丨编码方案的例证。消息m与本地随机比特r和公共随机种子s一起由反向通用散列系列UHF-1处理到矢量u，之后u由LDPC码改变为v量子通讯协议，其被映射到码字c之后发送到接收者的网站。因为遗失和出错，接收方Bob接收到降级的码字，之后在执行通用散列家族UHF然后解映射，解码并获得该消息。(来源：Light:&)
科学家们展示了一种编码方案，以保证基于互连LDPC码的QSDC传输的可靠性。预处理基于通用散列系列(UHF)。在该过程中，对于每位消息(m)，发送方Alice生成随机比特(r)和公共随机种子的本地序列。接出来，她通过适当选择的UHF(UHF-1)的倒数映射到矢量(u)，之后通过LDPC码将其改变为(v)，映射到码字(c)并发送到接收器的站点。
在信息理论中，噪音信道编码定律为通讯信道的任何给定程度的噪音污染提供可靠的通讯基础。为了确保信息的可靠性，Alice调制抵达合法接收器Bob的脉冲，合作接收器Bob以与打算它们相同的基础进行检测。因为遗失和错误，Bob收到一个降级的代码字，在使用UHF进行后处理后，他会对其进行解映射和解码以获取消息。
通过这些方法，人们可以在高噪音和高耗损的现实环境中应用实用的QSDC系统。在其他技术中，科学家们使用LDPC码来降低系统中的错误和遗失现象。她们使用Wyner理论深入剖析了系统的安全性。当保密能力不为零时，信息速度大于保密容量的编码方案确保了信息传输的安全性和可靠性。总的来说，科学家们在1.5公里的实际距离内得到了50bps的安全信息率。Qi和朋友表示，那些参数是不成熟的，她们正构想一种改进的系统，该系统可以实现更高的信息传输速度，能达到几十千比特每秒。