北京量子院量子直接通信团队在《IEEE CST》发表综述论文

《IEEE Communications Surveys and Tutorials》(简称IEEE CST)是通信领域最具影响力的期刊之一,目前影响因子已达35.6。近日,北京量子信息科学研究院(简称“量子院”)量子直接通信团队潘栋、龙桂鲁教授和清华大学、南京邮电大学、英国南安普顿大学合作,系统阐述了量子安全直接通信的基本原理、实验技术、组网方案、应用场景和未来应用等,相关论文以“The Evolution of Quantum Secure Direct Communication: On the Road to the Qinternet”为题在线发表在IEEE CST上。

量子计算的发展对基于数学难题的传统非对称密码构成严重威胁。量子通信是对抗量子计算攻击,实现“后量子”安全通信的重要技术途径。量子安全直接通信利用量子态在既有噪声又有窃听的信道上安全可靠地传输信息,是通信的新范式,是安全技术的新手段。量子安全直接通信的工作流程如图1所示,它具有信息理论的安全性。

北京量子院量子直接通信团队在《IEEE CST》发表综述论文
图1 量子安全直接通信模型(摘自论文图3,翻译版)

综述论文从量子计算对经典密码安全性的影响入手,从通信理论的角度分析了量子安全直接通信的优势,阐述了量子安全直接通信20多年发展历程中的重要里程碑。如图2所示,量子安全直接通信在2000年提出,已经从理论过渡到实验,正在走向实际应用。论文详细论述了量子安全直接通信的基本原理、安全性分析、实验技术、典型协议、组网方案、应用场景和未来应用方向。

目前,量子院已经取得了量子安全直接通信距离100km的世界纪录,实现了野外环境千米级空间量子安全直接通信,并成功在5G专网、银行金融领域开展应用试验。美国、英国、欧洲、日本、韩国和印度也都相继开展了量子安全直接通信的研究。近年来量子安全直接通信的研究呈加速发展状态。

北京量子院量子直接通信团队在《IEEE CST》发表综述论文
图2 量子安全直接通信发展历程(摘自论文图34,翻译版)

综述论文指出,未来在移动终端、卫星-地面、无人机群实现量子安全直接通信是重大挑战,探索太赫兹、可见光量子安全直接通信也是未来的重要研究方向。

该综述论文的第一作者为量子院助理研究员潘栋,通讯作者为量子院副院长、清华大学龙桂鲁教授和英国皇家工程院院士、南安普顿大学Lajos Hanzo教授,合作者包括清华大学陆建华院士、殷柳国教授、阮东教授,南京邮电大学盛宇波教授,英国南安普顿大学Soon Xin Ng教授。

该工作得到了北京市科委、中关村管委会,国家自然科学基金委,低维量子物理国家重点实验室开放课题,广东省重点领域研发计划,北京未来芯片技术高精尖创新中心,清华大学自主科研项目,英国工程与物理科学研究委员会(EPSRC)和欧洲科学基金会(ESF)项目支持。