量子直接通信：用量子说“悄悄话”

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中移智库

当你在手机上转账、在电脑上传输隐私文件时，是否想过：未来某天，现有的加密技术可能在量子计算机面前不堪一击？2024年，美国国家标准与技术研究院（NIST）发布首批后量子密码（PQC）标准，并明确 2035 年后将禁用易受量子攻击的公钥密码方案 —— 这一消息，让“量子时代的信息安全”再次成为焦点。而在应对量子威胁的技术中，“量子直接通信（QSDC）”正凭借独特的优势，越来越受到人们的关注。本文介绍无须预分发密钥、直接编码量子态传输的量子直接通信技术，提及中国团队在传输距离、安全容量与网络构建等方面的突破，展望量子直接通信在高安全需求领域及未来日常生活中的应用，凸显其对量子互联网发展的意义。

量子通信中的“耳语者”：量子直接通信

提到量子通信，很多人会先想到量子密钥分发（QKD）或量子隐形传态（QT）。但在这些量子通信范式中，量子直接通信有着本质上截然不同的工作方式。

简单来说，量子隐形传态的核心是“传输量子态而非粒子本身”，就像武侠电影里的“移形换影”，让粒子的量子信息在异地重现；量子密钥分发则像是个“密钥管家”，它利用量子原理生成安全密钥分发给通信各方，再依靠传统经典加密技术来保护信息。而量子直接通信实现安全保密的方式更为直接 —— 它不依赖预先建立的密钥，而是把信息编码在光子等量子态里直接传输。这相当于让信息以“量子悄悄话”的方式传递，从源头杜绝密钥泄露的风险。

“量子悄悄话”的安全性根植于量子力学的基本原理——叠加、纠缠和不可克隆定理，即使面对量子计算机的强大算力也坚不可摧。任何试图窃听“悄悄话”的行为都会对量子态产生干扰，通信双方能够立即察觉。

图1 基于量子密钥分发的保密通信结构（上）和量子直接通信结构（下）

（来自参考文献[1]）

从理论到实践：量子直接通信的二十余年发展之路

量子直接通信这个概念并非凭空设想，它的发展走过了一条“理论奠基 — 协议优化 — 实验验证 — 实用化突破”的清晰路径。

（一）理论萌芽：被拒稿埋没的早期构想

早在 1982 年，查尔斯·贝内特和吉尔斯·布拉萨德等人就构想出了一种基于可复用经典一次一密密钥的量子通信方案。该方案虽然也是用量子态直接发送信息，但因其核心思路是先用预共享密钥加密信息后再加载到单光子态上传输，因此后来被认为是“准”量子直接通信协议。有趣的是，他们的研究论文在当时因为种种原因遭拒稿，导致他们转向更易实现的其他技术路线。后来，他们提出出赫赫有名的 BB84 协议[2]，开创了量子密钥分发这一研究领域。而当时的“准”量子直接通信协议则沉寂在历史的长河中，直到 2014 年才“重见天日”[3]。

2000 年，清华大学教授、北京量子信息科学研究院副院长龙桂鲁带领团队独立提出了首个真正意义上的量子直接通信协议 ——“高效协议”[4]。它利用爱因斯坦 - 波多尔斯基 - 罗森（EPR）纠缠对实现通信：把信息编码在 EPR 对中，分两批发送给接收方，第一批先做窃听检测，确认安全后再发第二批。这一协议首次证明了“无密钥直接通信”的可行性，为后续研究打下基础。

图2 “高效协议”流程示意图

（来自参考文献[5]）

此后，研究团队不断优化协议：2004 年提出的双向“DL04 协议”[6]，让接收方先发送单光子，随机抽样检测安全后，发送方用泡利操作编码信息再传回去。与之前基于纠缠光子的方案不同，它巧妙地利用了单光子进行两次传输来完成通信和安全检测。DL04 协议仅使用单光子，其技术要求和实验难度远低于纠缠光源，推动了量子直接通信从理论走向实验验证和实际应用的进程。

图3 “DL04 协议”流程示意图

（来自参考文献 [5]）

近年来，通过将维纳窃听信道等理论引入量子领域，在高噪声、高损耗信道中实现安全可靠的量子直接通信具有了越来越坚实的理论基础。“掩膜增容”（INCUM）等新机制的出现则进一步提升了安全信道容量。这一系列的理论创新共同推动了量子直接通信从最初的点对点通信模型，演进为能够支持原理性演示和组网扩展的完整通信范式。

（二）实验探索：从原型样机到“空天地一体化”

理论研究之外，实验进展同样令人振奋。2016 – 2017 年，来自山西大学、南京邮电大学、中国科学技术大学和清华大学的联合研究团队分别进行了基于单光子（如“DL04 协议”）和基于纠缠（如“高效协议”）的量子直接通信演示实验，首次验证了这些协议能够在噪声和窃听信道中实现安全和可靠的通信。

世界首款实用化量子直接通信样机作为全国科技创新中心建设的重大成果之一在 2020 中关村论坛成果发布会上发布，实现了 10 公里光纤中4 kbit/s的安全通信速率，开启了量子直接通信的实用化发展。2022 年，北京量子信息科学研究院和清华大学的研究团队合作设计和实现了一种相位量子态与时间戳量子态混合编码的量子直接通信新系统，通信距离达到 100 公里，创下世界纪录。2025 年，科研团队进一步攻克了高噪高损信道编码、信道“掩膜增容”、高速量子态调制解调等关键技术，提出单向量子直接通信理论方法，创造了 104.8 公里光纤中 168 小时2.38 kbit/s 速率的长距离稳定传输新世界纪录，与 2022 年的系统相比速率提高了 4760 倍，极大地提升了量子直接通信的实用化价值。

图4 首台量子直接通信样机在2020中关村论坛发布

为实现更远距离的量子直接通信，科研团队正在进行自由空间中的实验验证。2025 年 5 月，团队自主研发的量子直接通信激光器模块和相位编码模块搭载在验证火箭上成功发射，经过鲁棒性测试后顺利回收检验。该实验首次完成星地量子直接通信系统模块级验证，标志着我国星地量子直接通信技术正式迈入空天地一体化量子直接通信网络的构建阶段。

（三）走向互联：向安全的量子计算网络迈进

互联组网是量子直接通信走向实用化的关键一步。上海交通大学研究团队长期深耕量子直接通信组网实验，于 2021 年率先构建 15 用户 40 公里的量子直接通信网络，任意两用户之间共享纠缠态的保真度可以达到95％以上，安全信息传输速率大于1kbps。2025 年 2 月，他们突破传统星型网络的限制首创了大规模可扩展的全连接架构，创新性地采用双泵浦光参量下转换技术，构建起具有高抗干扰能力的量子纠缠分发系统，成功实现了 4 个节点间 300 千米级的全连接量子直接通信网络。

在量子中继器技术成熟之前，量子网络的应用范围始终受限：要么只能覆盖节点直接相连的有限区域，要么只能连接到同一公共节点的节点群。为突破这一限制，包括中国科学院院士薛其坤、陆建华和英国皇家工程院院士拉约什·汉佐在内的中英两国研究者采用经典安全中继器结合量子直接通信，合作提出能够实现全网端到端安全的量子网络模型[7]。该方案与现有运营网络兼容，可支持传统互联网的核心服务，通过渐进式升级实现从经典互联网向量子互联网的平滑过渡。演示实验证明了利用现有技术完全可以构建安全中继网络，它在未来量子计算网络中也将成为一种可行的网络方案。

图5 七阶段量子互联网路线图

（图片来源：参考文献[7]）

未来愿景：量子直接通信将如何改变我们的生活？

目前，量子直接通信正在快速发展中，未来有望在多个关键领域发挥重要作用。专家学者已经关注到量子直接通信在经典通信网络中的巨大应用潜力。2020 年，由东南大学移动通信国家重点实验室主任、紫金山实验室首席科学家尤肖虎教授领衔，联合东南大学、紫金山实验室、上海科技大学、北京邮电大学、电子科技大学、中国移动研究院、华为技术有限公司等 24 家国内外优势科研院校及企业的 50 位业内专家共同撰写的 6G 长篇综述《迈向 6G 无线通信网络：愿景、使能技术和新的范式转换》在《中国科学：信息科学》杂志发表，其中对量子直接通信描述如下：

还有一种高安全性的量子通信协议，它超越了QKD的密钥分发功能。这被称为量子直接通信（QSDC），能够进行窃听检测。……因此，一旦它得到充分发展，将在下一代安全通信中具有巨大的潜力。

从短期看，随着量子态光源、探测器的优化，以及纠错码和单向、双场等理论框架的突破，量子直接通信的传输距离、带宽、延迟等性能会持续提升。在不远的将来，我们可能会看到城域和城际的量子直接通信网络落地，为政务、金融等对安全要求极高的领域，提供能够窃听检测的通信保障。比如政府的敏感文件、银行的核心交易数据、通信运营商的关键信令，都能通过“说量子悄悄话”完成，不用担心被量子计算机破解。

从长期看，量子直接通信会与传统通信和经典加密技术等深度融合，构建“经典-量子混合网络”—— 卫星、光纤路由器、安全中继器、量子中继器协同工作，把城市网、城际网连接起来，最终形成“天地一体化量子互联网”。到那时，不仅是人类的通信，就连量子传感器、量子计算机之间的信息交互，都能在这个网络上安全进行，开启一个“量子赋能”的智能新时代。

图6 经典-量子混合网络示意图

（来源：参考文献[8]）

更贴近日常生活的是，未来我们的手机支付、智能家居数据、个人健康信息，或许都能通过量子直接通信保护。到那时，信息不再是经过传统加密后再传输，而是以“量子悄悄话”的形式传递，即使有黑客试图窃听，也会因量子态的性质留下痕迹，让通信瞬间“中断”。

结语：用“量子悄悄话”，守护量子信息时代的安全感

从2000 年的首个协议，到如今百公里传输、多节点网络、星地模块级验证，量子直接通信的每一步突破，都在回答一个核心问题：如何在量子时代，守住信息的安全感？

它不像量子计算那样高调，却像一位沉默的守护者，用量子特性构建起一道不可逾越的安全屏障。随着技术的不断成熟，量子直接通信不仅会改变我们对通信安全的认知，更会成为未来量子互联网的核心架构，连接起一个更安全、更智能的世界。

或许在未来，当我们轻松传输重要信息时，不会再想起“量子直接通信”这个专业名词。但我们享受的每一份安全，都离不开今天科研工作者在量子世界里的探索与坚守。

参考文献

[1] 龙桂鲁,盛宇波,殷柳国. 量子通信研究进展与应用[J]. 物理, 2018, 47(07): 413-417.

[2] Bennett C H, Brassard G. Quantum cryptography: Public key distribution and coin tossing[C]//Proceedings of IEEE International Conference on Computers, Systems, and Signal Processing. Bangalore, India, 1984: 175-179.

[3] BENNETT C H, BRASSARD G, CREPEAU S. Quantum Cryptography II: How to re-use a one-time pad safely even if P=NP[J]. Natural Computing, 2014, 13(4): 453-458.

[4] LONG G L, LIU X S. An efficient high capacity quantum key distribution scheme[EB/OL]. arXiv:quant-ph/0012056, version: 1, 2000.

[5] PAN D, LONG G L, YIN L, et al. The evolution of quantum secure direct communication: on the road to the Qinternet[J]. IEEE Communications Surveys & Tutorials, 2024, 26(3): 1898-1949.

[6] DENG F G, LONG G L. Secure direct communication with a quantum one-time pad[J]. Physical Review A, 2004, 69(5): 052319.

[7] LONG G L, PAN D, SHENG Y B, et al. An evolutionary pathway for the Quantum Internet Relying on Secure Classical Repeaters[J]. IEEE Network, 2022, 36(3): 82-88.

[8] WANG M, LONG G L. Quantum secure direct communication: whispering with photons[J]. National Science Review, 2025, 12(8): nwaf096.

审核：邵春菊｜未来研究院

作者：雷雨霆、李相洁、潘成康、王飞｜未来研究院