撰稿|李淵華戚展彤
說明|本文來自論文作者（課題組）投稿
人類最早使用的加密技術是密碼棒（名詞解釋>>>）。古埃及的斯巴達人將一張皮革包裹在特定尺徑的木棍上，再寫上傳遞給別人的信息。而信息的接收者只須要有根同等尺徑的木棍，收到皮革后再將皮革裹到木棍上就可以讀出原始信息。雖然這張皮革中途被截走，只要對方不曉得木棍的尺徑，所見到的也只是一些雜亂而無用的信息。這就是歷史上記載的人類最早對信息進行加密的方式之一。
圖1：密碼棒實物圖，纏木棍是算法，木棍粗細是秘鑰
通訊安全是人類始終的宿愿。從摩斯電碼到電報、傳真，從聯通電話到網路通訊，通訊技術的發展也帶來了通訊安全的隱患。
圖2：影片《竊聽風暴》劇照
從理論上來說，傳統的物理估算加密方式都是可以破譯的，再復雜的物理秘鑰也可以找到規律。隨著計算機的急速發展，破譯物理密碼的難度也日漸增加，信息安全面臨的挑戰急劇上升。辛運的是，量子理論為人類追求信息的絕對安全打開了一扇窗。
量子通訊借助量子力學原理進行信息傳輸和處理,因其具有高安全、高容量等優點而逐步發展成為一種極為重要的通訊方法，這在過去的20多年中成為量子信息研究的重要內容,具有挺好的應用前景，同時處理量子信息的方式也越來越成熟。
基于此，一種舊式的通訊模式在2000年被提出，也就是量子安全直接通訊（QSDC）合同，QSDC是指：用戶之間可以直接通過安全量子通道發送秘密信息，但是在這一過程中第三方的任何功擊都未能從中獲取任何有用的信息。QSDC合同因其相對簡單的通訊步驟而后被提出，這一通訊方式降低了潛在的安全漏洞，并提供了高的安全保證，保障了量子通訊的安全性和實用性。
但是在實際應用中，基于糾纏的QSDC合同未能同時分辨四組編碼的正交糾纏狀態，這無疑也限制了QSDC在糾纏網路中的推廣應用。同時，提升QSDC的應用價值但是擴大QSDC的應用范圍，建立量子網路來實現多用戶互聯這一工作十分重要。
因此，北京交通學院陳險峰團隊與湖南師范學院李淵華等人合作，在量子通訊網路方面取得最新進展：她們首次提出了一種遠距離量子安全直接通訊網路，但是在實驗中證明了它的可行性。
圖3：量子通訊網路藝術療效圖
該成果以“A15-user”為題發表在Light:&。
研究人員提出并實驗實現了基于時間-能量糾纏和和頻的15個用戶QSDC網路，在QSDC網路中，倘若任意兩個用戶想要直接通訊，首先兩個用戶（用戶1和用戶2）將共享N對由網路處理中心分發的時間-能量糾纏態，在測量量子糾纏信道完全安全后，雙方規定四種貝爾態分別編碼為00,01,10和11，其中用戶1對自己持有的光子分別做四種幺正操作，來實現編碼過程，分別對應00,01,10和11，最后用戶2通過借助和頻這一非線性過程實現貝爾態檢測來分辨四個編碼的貝爾態，進而完成信息的解碼。
15個用戶處于完全聯接的QSDC網路中，網路處理中心將控制聯接中五個子網，經過自發熱阻下轉換過程形成單光子源并分到30個國際聯通聯盟通道中，借助時分復用和密集波分復用的方式，分發15對糾纏光子對，用戶通過操作自己的波長通道來實現與其他用戶之間的QSDC兩步傳輸過程，如圖4中所示，網路中任意兩個用戶之間都可以進行QSDC任務。
圖4量子網路組成(a)由五個子網完全聯接的量子網路；(b)子網中三個用戶之間的互聯
眾所周知，QSDC信息傳輸的安全性和可靠性是量子網路中必不可少的部份。量子網路通訊的安全由量子糾纏的性質得到保證，監聽者每次只能泄露糾纏粒子體系的一部份,得不到糾纏光子對的整體狀態,因而保證了信息不外泄。對此，研究人員在QSDC中實現了逐漸傳輸過程，并恐怕了雙方通訊量子信道的安全容量。在確認量子信道的安全性后，合法用戶在通訊網路中可靠地進行編碼或解碼操作量子糾纏通訊，傳遞信息，倘若安全傳輸容量高于安全閥值，則中止通訊。
實驗結果表明，任意兩個用戶可以在40公里的光纖中進行QSDC，如圖5所示量子糾纏通訊，網路中任意兩用戶共享的糾纏態保真度一直小于95%，信息傳輸速度可以保持在1Kbp/s。實驗結果也證明了所提出的量子直接通訊網路的可行性與安全性。
圖5實驗裝置(a)量子網路的化學結構；(b)通過自發熱阻下轉換形成糾纏源的波譜；(c)和頻過程。
值得注意的是，該項研究目前主要針對長距離糾纏網路中的QSDC，推而廣之，結合近來提出的QSDC安全中繼器量子網路，它將可以實現整個量子互聯網上安全的端到端通訊，突破通訊距離的困局，在未來通訊中存在巨大潛力。據悉，通過結合級聯非線性過程的單光子頻度轉換也可用于實現遠程網路QSDC，因而為未來實現大規模網路通訊奠定了基礎。
論文信息：
Qi,Z.,Li,Y.,Huang,Y.etal.A15-user.LightSciAppl10,183(2021).
本論文通信作者為廣東師范學院李淵華院士和重慶交通學院數學與天文大學陳險峰院士。重慶交通學院數學與天文大學博士生戚展彤、黃義文和李淵華院士為論文的共同第一作者。李淵華院士2017年在重慶交通學院獲得博士學位（導師：陳險峰）后，在湖南師范學院從事科研和教學工作，2019年2月—2021年3月在陳險峰院士研究組從事博士后（在職）研究。
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編輯|趙陽
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