從狼煙烽火到飛鴿傳信，再到如今的電子通信，人類借助科技的力量讓通信的距離越來越遠。去年，北京量子信息科學研究院、清華大學龍桂魯教授團隊和陸建華教授團隊合作，設計和實現了一種相位量子態與時間戳量子態混合編碼的量子直接通信新系統，將通信距離刷新至100公里光纖，創下世界紀錄。
近日，龍桂魯團隊將100公里光纖中的量子直接通信速率提高到每秒5000比特，并準備從實驗室走向真實環境進行測試。他預計，未來3到5年，量子直接通信可能在特殊場合應用，讓人們實現接打“量子直接通信電話”的夢想。
“量子直接通信電話”怎么打
這種“量子直接通信電話”是采用量子直接通信進行的音頻通信。“量子直接通信是一種以光的量子態作信息載體的量子通信形式。竊聽會改變量子態，因此能被發現，量子直接通信通過感知竊聽的能力，使竊聽者聽不到來保證信息安全。”龍桂魯告訴科技日報記者，量子保密和經典保密的原理不同，二者互相補充。
一般情況下，經典通信只確保信息的可靠傳輸，不負責通信的安全。這時，密碼學派上用場，采用數學變換把要傳輸的信息打亂，使竊聽者聽不懂，進而保證通信的安全。龍桂魯進一步解釋：“而量子直接通信則在可靠通信的基礎上，進一步賦能安全特性，形成在噪聲和竊聽信道下的可靠和安全通信的新模式。也就是說，量子直接通信不僅要可靠地傳輸信息，而且還要使竊聽者無法獲得信息，保證信息安全。”
龍桂魯介紹，去年的100公里量子直接通信，每秒可以傳輸半個比特，意味著城市之間可以使用量子直接通信發送電報。“現在我們進一步采用了單向傳輸和掩膜增容技術，將速率提高到每秒5000比特，這意味著城市間可以打‘量子直接通信電話’了。”龍桂魯說。
拿起電話、撥通號碼、接收方拿起電話，雙方就可以通話了。打“量子直接通信電話”似乎跟傳統座機電話并無二致。龍桂魯解釋稱：“和經典的座機電話不同的是，一旦有竊聽，‘量子直接通信電話’就會感知并發出警報，維護人員就可以去檢查和消除竊聽。‘量子直接通信電話’還可以轉換路線或者轉換到經典一次一密等其他安全模式，繼續通話。”
如何組建量子互聯網
“有規模地應用‘量子直接通信電話’需要組建網絡。”龍桂魯透露，未來，可以使用量子中繼組建量子互聯網。
不過，目前可以使用經典密碼和經典中繼，來構造安全中繼量子網絡。安全中繼是指經典密碼保護下的經典中繼，把量子直接通信和經典密碼結合，用量子直接通信傳輸經典密碼加密后的密文，這樣在經典中繼節點，信息受到經典密碼的保護；在通信鏈路，信息得到量子的保護，從而為網絡提供端對端的安全性。
龍桂魯說，這個過程就是把信息用經典密碼加密成密文，用量子直接通信傳輸大約100公里，到一個叫作“中繼”的地方，把密文從量子信號變成經典信號，再轉換成量子信號，用量子直接通信接力傳送，這樣繼續下去，最后送給收信人。
“如果用傳輸文件來比喻，經典加密就是用暗號寫信。”龍桂魯說，量子直接通信就像一輛帶封閉車廂的郵車，經典中繼就是信件中轉站。用封閉郵車傳送暗號寫的文件，隨后在中轉站轉交給下一輛郵車。“在交接時，人們看到的只是暗號，不是文件內容本身。最后的接收人才能讀懂暗號所代表的文件內容。”他說。
龍桂魯等研究人員已經在實驗室初步構建了安全中繼的量子直接通信網絡，從“一對一”通信發展到了多人“群聊”。今后可以利用經典安全中繼組網技術，建設廣域的確保端對端安全的安全中繼量子網絡，支撐多種應用。
“未來，我們要讓技術走出實驗室，在實際的光纖網絡中進行測試和試用，不斷優化改進技術。”龍桂魯說。
