量子安全直接通訊(QSDC)是量子通訊的一個重要分支，可用于直接傳輸絕密信息，其理論基礎(chǔ)是量子熱學。雖然有關(guān)的原理驗證實驗研究取得了明顯進展，并且QSDC系統(tǒng)仍有待施行。
不過，據(jù)PHY.ORG2月18晚報道，在近來的一項研究中，一個團隊提出并通過實驗驗證了一個實用的量子安全通訊系統(tǒng)，研究結(jié)果發(fā)表在Light：＆上。
在這項工作中，研究主導者Qi及其朋友使用“Wyner”理論剖析了該系統(tǒng)的安全性。她們在高噪音和高耗損的現(xiàn)實環(huán)境中開發(fā)了一種使用級聯(lián)(互連)低密度奇偶校準(LDPC)碼的編碼方案。該系統(tǒng)在1.5公里的距離內(nèi)以1MHz的重復率運行，并以50bps的安全通訊速度發(fā)送文本消息、大小適中的圖象和語音。
圖丨實驗裝置。用強衰減的激光器作近似單光子源，系統(tǒng)脈沖重復頻度為1MHz。在實驗設(shè)置中，Bob以兩個具有相對相位的時間段的疊加將單個光子發(fā)送給Alice，但是Alice隨機從兩個可能的任務(wù)中選擇一個，檢測錯誤或編碼。兩邊均由現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)控制，而且使用商用載流子調(diào)制器實現(xiàn)四個單光子狀態(tài)的操作。PM相位調(diào)制器、PC偏振光控制器、PBS偏振光分束器、ATT衰減器、CIR光環(huán)行器、FC光纖耦合器、SPD超導納火鍋單光子偵測器，具有70％的偵測效率，100Hz暗計數(shù)率和50ns復位時間、PMFC偏振光保持混頻器耦合器、FR法拉第旋轉(zhuǎn)器。(來源：Light:&)
這項工作指出了一種QSDC方式，這些方式可以在沒有分發(fā)秘鑰的情況下傳輸直接信息，進而防止遭到功擊。在這項工作中，該團隊使用1550納米的激光器生成帶有安全量子信息的單光子，在收到信息后，科學家們才能成功解碼信息。該方式也同樣適用于現(xiàn)實環(huán)境中，雖然在現(xiàn)實環(huán)境中存在高光子損失以及由噪音造成的偏差。她們在研究中使用糾錯性能更好的標準LDPC碼，其中該碼由空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)領(lǐng)事委員會(CCDS)施行，可用于近地和深空應用領(lǐng)域。
全球安全取決于安全的通訊基礎(chǔ)設(shè)施。目前，人們通過例如RSA公共秘鑰方案之類的加密技術(shù)來保護通訊。保密容量是指具有安全性和可靠性的所有可實現(xiàn)傳輸速度的上限。實際上，因為進行監(jiān)聽測量非常困難，因而人們很難恐怕傳統(tǒng)通訊系統(tǒng)中的保密能力。在量子系統(tǒng)中，單光子或糾纏光子對可以傳輸數(shù)字信息，進而形成量子加密的新特點，而這在傳統(tǒng)傳輸介質(zhì)中卻未能實現(xiàn)。從原則上講，監(jiān)聽行為會干擾信息傳輸，而這樣設(shè)置也是為了更好地進行測量。
第一個量子通訊合同由和(BB84)提出，它基于借助量子資源進行安全秘鑰協(xié)商的理論。2000年，有人提議QSDC可以在沒有秘鑰的情況下直接傳遞信息，并清除與秘鑰儲存和密文功擊相關(guān)的漏洞。此后的原理驗證研究早已證明了基于QSDC的單光子和糾纏對，包括使用兩步QSDC合同可以在500米的有效距離內(nèi)進行通訊的研究。
圖丨實際DL04-QSDC合同的圖示。“主通道”和“竊聽通道”是離散的無記憶通道。主信道表示發(fā)送方和合法接收方之間的信道，而監(jiān)聽信道表示發(fā)送方和監(jiān)聽方之間的信道。(來源：Light:&)
在此研究中，團隊使用基于DL04合同(沒有秘鑰)的過程實現(xiàn)了實用的量子安全直接通訊系統(tǒng)運行。為了在實踐中施行QSDC系統(tǒng)，依照Wyner監(jiān)聽模型，系統(tǒng)應當高于信道的保密能力以進行安全的信息傳輸。科學家使用互連的低密度奇偶校準(LDPC)碼計算了系統(tǒng)的保密能力。她們設(shè)計的方案專門用于解決高耗損和高誤幀率問題，這也是量子通訊的奇特之處。這表明QSDC平臺可以在現(xiàn)實環(huán)境中高效運行。
在施行DL04-QSDC合同時，她們的設(shè)計包括一個離散的無記憶“主要通道”和一個“竊聽通道”。其中，主要通道代表發(fā)送者和接收者之間的網(wǎng)路，監(jiān)聽通道代表合法用戶和監(jiān)聽者之間的網(wǎng)路。該合同包含四個步驟：
1.假定Bob是一個的合法信息接收者，他打算了一系列量子比特，每位量子位隨機處于四種狀態(tài)之一(|0>，|1>，|+>和|->)。之后，他將狀態(tài)序列發(fā)送給信息發(fā)送者Alice。
2.在收到單光子序列后，Alice隨機選擇其中一些并對其進行檢測。她公布了這種單光子的位置、測量基礎(chǔ)和檢測結(jié)果。Bob將這種信息與他對這種狀態(tài)的打算進行比較，并恐怕Bob-to-Alice頻道的誤分辨率，并通過廣播信道通知Alice。之后，Alice可以使用監(jiān)聽信道理論恐怕Bob-to-Alice信道的最大保密容量(Cs)。
3.Alice選擇剩余量子位的編碼序列，其中，該方案基于互連的LDPC碼。之后，她須要構(gòu)造代碼字并將其反饋給Bob。
4.Bob檢測其打算的相同基礎(chǔ)上的量子位后，從收到的訊號中解碼Alice的消息。倘若錯誤率高于LDPC碼的校準能力，則傳輸成功。之后，她們再度從步驟1開始發(fā)送另一部份秘密消息，直至她們完全傳輸整個消息。倘若錯誤率小于LDPC碼的校準容量，則Bob和監(jiān)聽者Eve都不能獲得信息，在這些情況下，須要中止進程。
Qi和朋友在實驗中使用高衰減激光作為近似單光子源。為了更好地模擬單個光子源以測量監(jiān)聽功擊，她們使用誘餌狀態(tài)量子秘鑰分發(fā)方式。倘若任何監(jiān)聽信道的保密容量不為零，即若果合法接收器具有比監(jiān)聽者更好的信道，則存在一些依照Wyner模型實現(xiàn)完全保密的編碼方案。但是，并非所有編碼方案都安全，而這基本上取決于編碼的細節(jié)。
圖丨左：實驗裝置。右：具有不同消息塊的系統(tǒng)穩(wěn)定性。ex和ez分別是Alice的站點上使用X基和Z基的檢測偏差率。e是Bob網(wǎng)站的錯誤率。錯誤率是逐塊恐怕的；每位塊包含1312×830個脈沖。平均光子數(shù)為0.1。量子信道的固有耗損為14.5dB，其中包括檢查器的效率，約70％和光學器件，約為13dB。在1.5km的距離內(nèi)，系統(tǒng)的總耗損為25.1dB。(來源：Light:&)
之后，她們在具有相位編碼的光纖系統(tǒng)中施行了該方案，這能用于遠距離量子通訊。在這些設(shè)置中，Bob打算了一系列單光子脈沖，在偏振光控制和衰減以后，將脈沖改為隨機量子比特，并通過1.5公里長的光纖發(fā)送到Alice的站點。抵達Alice的站點后，它會分成兩部份，一部份步入編碼模塊，另一部份步入控制模塊進行錯誤檢測，由設(shè)置好的現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)控制。
同時編碼發(fā)生在編碼模塊中。假如誤分辨率大于閥值，則容許部份編碼通過相同的光纖將單個光子發(fā)送回Bob，在那兒誘導它們步入單光子偵測器，并對其進行檢測。科學家控制由單相調(diào)制器(PM)和單光子偵測器(SPD)組成的設(shè)置，使用FPGA對兩個站點的消息進行編碼，這種FPGA由上位機控制。
圖丨虛線代表Alice和Bob之間的互信息。通過噪音信道編碼定律，傳輸速度不能超過主要通道的容量。實線是Alice和Eve之間的互信息，是監(jiān)聽者可以獲得的最大信息。符號代表實驗結(jié)果。與所選擇的LDPC碼一起，當誤分辨率高于10^-6時，編碼方案形成0.00096的傳輸速度。因為速度小于Alice和Eve之間的互信息量子通訊協(xié)議，因而確保了信息傳輸?shù)陌踩院涂煽啃浴?來源：Light:&)
在實驗結(jié)果中，她們用兩條直線表示交互信息與系統(tǒng)損失。這兩條線之間的區(qū)域產(chǎn)生了信息理論安全區(qū)域。結(jié)果，對于具有指定區(qū)域內(nèi)的信息速度的編碼方案來說，這可以可靠地保證安全性。使用實驗裝置，Qi獲得了50bps的安全信息速度，而且完全在規(guī)定的安全區(qū)域內(nèi)。
圖丨編碼方案的例證。消息m與本地隨機比特r和公共隨機種子s一起由反向通用散列系列UHF-1處理到矢量u，之后u由LDPC碼改變?yōu)関量子通訊協(xié)議，其被映射到碼字c之后發(fā)送到接收者的網(wǎng)站。因為遺失和出錯，接收方Bob接收到降級的碼字，之后在執(zhí)行通用散列家族UHF然后解映射，解碼并獲得該消息。(來源：Light:&)
科學家們展示了一種編碼方案，以保證基于互連LDPC碼的QSDC傳輸?shù)目煽啃浴ｎA處理基于通用散列系列(UHF)。在該過程中，對于每位消息(m)，發(fā)送方Alice生成隨機比特(r)和公共隨機種子的本地序列。接出來，她通過適當選擇的UHF(UHF-1)的倒數(shù)映射到矢量(u)，之后通過LDPC碼將其改變?yōu)?v)，映射到碼字(c)并發(fā)送到接收器的站點。
在信息理論中，噪音信道編碼定律為通訊信道的任何給定程度的噪音污染提供可靠的通訊基礎(chǔ)。為了確保信息的可靠性，Alice調(diào)制抵達合法接收器Bob的脈沖，合作接收器Bob以與打算它們相同的基礎(chǔ)進行檢測。因為遺失和錯誤，Bob收到一個降級的代碼字，在使用UHF進行后處理后，他會對其進行解映射和解碼以獲取消息。
通過這些方法，人們可以在高噪音和高耗損的現(xiàn)實環(huán)境中應用實用的QSDC系統(tǒng)。在其他技術(shù)中，科學家們使用LDPC碼來降低系統(tǒng)中的錯誤和遺失現(xiàn)象。她們使用Wyner理論深入剖析了系統(tǒng)的安全性。當保密能力不為零時，信息速度大于保密容量的編碼方案確保了信息傳輸?shù)陌踩院涂煽啃浴？偟膩碚f，科學家們在1.5公里的實際距離內(nèi)得到了50bps的安全信息率。Qi和朋友表示，那些參數(shù)是不成熟的，她們正構(gòu)想一種改進的系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以實現(xiàn)更高的信息傳輸速度，能達到幾十千比特每秒。