中国科学家们开发单向量子直接通信系统
量子通信作为量子信息科学的重要分支，近年来取得了显著进展。量子直接通信（Quantum Secure Direct Communication, QSDC）是一种无需预先共享密钥即可直接传输秘密信息的通信方式，与传统的量子密钥分发（Quantum Key Distribution, QKD）不同，其安全性基于量子力学的不可克隆定理和不确定性原理，能够有效抵御窃听。2025年2月，北京量子信息科学研究院（以下简称“量子院”）与清华大学、北方工业大学的相关团队合作，提出了单向量子直接通信理论，并成功开发出实用化系统，创下长距离稳定传输的世界纪录。
量子通信的研究近年来在全球范围内快速发展，尤其是中国在该领域表现突出。之前的记录显示，2022年由清华大学团队实现的量子直接通信最长距离为102.2公里 ，传输速率较低，约为0.54位每秒（bps），主要用于短距离的文本和电话加密。量子院的最新成果不仅延长了传输距离，还显著提高了传输速率和稳定性，为量子通信的实际应用奠定了基础。量子直接通信的理论基础在于利用量子态直接编码信息，传输过程中若有窃听者试图复制量子态，将因量子不可克隆定理引入错误，从而被检测到。这种特性使其在现代通信中具有重要潜力，尤其是在面对量子计算威胁的背景下。
据报道，量子院的研究团队提出了“单向量子直接通信理论”，并基于此开发出实用系统。该系统在标准光纤通信测试中实现了以下参数：
- 传输距离：104.8公里
- 传输速率：2.38千位每秒（kps），即2380位每秒（bps）
- 稳定传输时间：168小时（7天）
这一系统使用单光子编码信息，采用特殊编码方案确保窃听尝试会引入可检测的错误。此外，系统还集成了纠错和验证机制，以维持传输数据的完整性和保密性。为了理解这一成就的意义，我们需要对比之前的记录。2022年的记录为102.2公里，传输速率较低，且稳定性数据未明确报道。而量子院的系统不仅距离略有增加（104.8公里），传输速率显著提高（2.38 kps vs. 约0.54 bps），更重要的是实现了168小时的连续稳定传输，这在量子通信领域尤为重要，表明其在实际应用中的可靠性。
传输速率2.38 kps在经典通信中可能显得较低（例如，拨号调制解调器的速率可达56 kbps），但在量子通信中，尤其是在长距离条件下，这一速率已属显著。量子通信的速率受限于量子态的准备、传输损耗和检测效率，而量子院的系统通过单向理论和特殊编码方案，显著提升了效率。
单向量子直接通信理论
“单向”这一术语可能指量子态的传输方向为单向，即从发送方到接收方无需反馈量子通道，而解码或验证可能通过经典通道完成。这种设计简化了系统结构，提高了效率。根据报道，该理论使信息通过量子通道直接传输，无需每次消息传输都进行额外的经典通信，从而更高效且安全。意义与影响这一突破的意义在于：
- 技术可行性：证明了量子直接通信在长距离（超过100公里）、高速（2.38 kps）条件下的可行性，为实际应用铺平道路。
- 应用潜力：该系统可用于金融、政府和军事等领域，提供无条件安全的通信，特别是在量子计算威胁日益加剧的背景下。
- 国际地位：进一步巩固了中国在量子通信领域的领先地位。根据ITIF的报告，中国在量子通信研究和专利数量上均领先美国，量子院的这一成就进一步强化了这一地位。
168小时的稳定传输尤其值得关注，这表明系统能够在长时间内保持性能，适合实际网络环境中的持续运行。这一特性在之前的记录中未见报道，是本次成就的一个亮点。
未来展望
量子院的这一成果为量子通信网络的建设提供了重要支持。未来的研究可能集中在以下方面：
- 进一步延长传输距离，可能需要量子中继器技术。
- 提高传输速率，接近或超过经典通信的水平。
- 扩展到卫星-地面混合网络，实现全球范围的量子通信。
量子中继器理论上可支持更长距离的通信，而量子院的系统为这一目标的实现提供了实验基础。
这一突破证明了量子直接通信在长距离、高速条件下的可行性，为金融、政府和军事等领域提供无条件安全通信铺平了道路，巩固了中国在全球量子技术领域的领先地位。
