本文是一篇发表于《Advanced Devices & Instrumentation》期刊（2023年4月12日在线发表）的综述文章。作者为潘东、宋晓天和龙桂鲁，其所属机构包括北京量子信息科学研究院、清华大学低维量子物理国家重点实验室与物理系、量子信息前沿科学中心以及北京信息科学与技术国家研究中心。文章的主题是“自由空间量子安全直接通信（Free-Space Quantum Secure Direct Communication, QSDC）的基础、进展与展望”。文章系统性地回顾了量子安全直接通信的基本原理、典型协议，重点梳理了自由空间QSDC的理论与实验进展，讨论了星地QSDC的可行性，并展望了未来发展方向，提出了一个可立即投入实际应用的“经典密码保障的不完美器件量子安全直接通信”发展路线。

文章主要观点阐述

第一，量子安全直接通信（QSDC）是一种变革性的安全通信范式。 文章开篇即指出，随着量子计算的发展（如Shor算法、Grover算法），传统的公钥密码体系（如RSA）和对称密码体系（如AES）面临严峻威胁。对于需要长期保密的信息，存在“现在存储、未来解密”的风险。量子物理为应对这一挑战提供了新的途径，其中QSDC是量子密码学的主要范式之一。与量子密钥分发（Quantum Key Distribution, QKD）不同，QSDC利用量子态作为信息载体直接传输机密信息，无需事先共享密钥。其安全性基于量子物理原理，已被证明是信息论安全的。QSDC能够实现安全可靠的信息传输，近年来实验进展表明，利用现有技术已可实现长距离通信和大规模组网。

第二，自由空间信道为QSDC的大规模实用化提供了独特优势和前景。 文章指出，自由空间信道是常见的通信链路，无需铺设光纤，能有效突破通信距离和地形的限制。在晴朗天气下，光信号在自由空间中的衰减低于光纤。特别是在大气层以上的真空信道，几乎没有吸收衰减。此外，大气信道几乎没有双折射效应，对偏振态传输非常友好。因此，基于卫星的QSDC是实现全球量子通信的重要途径。自由空间QSDC可以构建灵活机动的安全通信手段，适用于“最后一米”和“最后一公里”的接入网络，为解决“最后一跳”问题提供了方案。文章的核心目标就是聚焦于自由空间QSDC的概述，涵盖其理论和实验进展。

第三，QSDC拥有坚实的理论基础和多样化的协议体系。 文章详细阐述了QSDC的基本原理：发送方（Alice）将明文信息编码到量子态上，通过量子信道传输给接收方（Bob），Bob通过测量解码获得信息。整个过程无需预先分发密钥，但需要一个经典认证信道来完成窃听检测和纠错。其信息论安全性基于Wyner的窃听信道理论，定义了安全容量。文章回顾了QSDC协议的发展脉络，将其分为离散变量协议和连续变量协议两大类，并介绍了测量设备无关和器件无关的QSDC构想。重点剖析了几个典型协议： 1. 高效协议（Efficient Protocol，2000年）：由龙桂鲁和刘晓曙提出，利用纠缠光子对（Bell态）进行块传输，通过两次传输和窃听检测实现安全通信。 2. DL04协议（2004年）：由邓富国和龙桂鲁提出，利用单光子进行信息传输。Bob先发送单光子序列给Alice，Alice进行窃听检测后，对剩余光子进行编码并返回给Bob，Bob测量后获取信息。这是一个典型的“乒乓”协议。 3. 准QSDC协议：文章还介绍了如重复经典一次一密（RECON）协议、量子低拦截概率（QLPI）协议和量子无密钥保密通信（QKPC）协议等。这些协议在某些方面（如需要预共享密钥、或无实时窃听检测）不严格满足严格意义上点对点QSDC协议的全部三个特征（无需预共享密钥、接收方可确定性地获取信息、可实时检测窃听者），因此被称为“准QSDC”协议。 文章通过表格对比了这些协议在传输方式、是否需要量子存储器、是否需要密钥以及是否具备窃听检测等方面的特点。

第四，面向现实信道的QSDC系统设计是走向实用的关键。 文章强调，原始协议假设的是理想无噪无损耗信道，而实际系统必须应对窃听、噪声和损耗。因此，一个实用的QSDC系统需要在编码层集成三个模块：前向纠错（FEC）编码器、抗损耗编码器和安全编码编码器。这相当于将传统安全通信的双信道结构（量子信道传密钥，经典信道传密文）转变为单信道结构，在一个量子信道上同时实现安全与可靠通信。具体实现中，可以采用低密度奇偶校验码（LDPC）等进行纠错，使用最大线性反馈移位寄存器序列进行抗损耗映射，并采用通用哈希族（UHF）等实现窃听信道编码以确保安全。文章特别介绍了“增加信道容量的掩蔽方案”（INCUM），该方案通过发送方的本地随机数对码字进行掩蔽，有效限制了窃听者的信息获取能力，从而大幅提升了安全容量和可容忍噪声水平。此外，无需量子存储器的QSDC方案（基于Wyner窃听信道理论的安全编码方案）也被提出并实验验证，解决了量子存储器技术不成熟带来的挑战。

第五，自由空间QSDC的实验进展证明了其技术可行性，并揭示了独特的技术挑战与解决方案。 文章重点介绍了2020年报道的首个自由空间DL04协议QSDC实验。该实验在10米自由空间链路上实现了500 bps的信息传输速率和0.49%的低量子比特误码率（QBER）。实验采用1550 nm通信波长和相位编码方案。选择1550 nm是因为其在大气中透射率更高、抵抗非理想天气和背景噪声的能力更强，且与成熟的光纤器件兼容。选择相位编码（而非偏振编码）是因为大气湍流引起的相位变化时间尺度远大于编码脉冲的时间间隔，相对相位差基本不受影响，且相位编码便于构建空-地-光纤一体化网络，无需在接口处进行编解码转换。文章还介绍了2022年实现的基于“安全中继”方案的光纤与自由空间混合光网络实验，该网络由10公里光纤链路和2米自由空间链路组成，实现了图像文件的端到端安全传输，展示了利用现有技术构建无需量子中继器的大规模量子安全网络的潜力。

第六，星地QSDC具有可行性，但不同协议适用于不同链路场景。 文章基于已有的星地量子通信实验（如意大利研究组和中国“墨子号”卫星的实验）论证了星地QSDC的技术基础。这些实验成功传输了偏振编码或时间编码的量子态，在数万公里距离上实现了可满足QKD和QSDC安全要求的链路损耗和QBER。文章分析了不同QSDC协议在星地场景下的适用性：DL04协议和QLPI协议需要卫星与地面站之间完成一个“往返”传输（上行和下行链路），因此链路衰减加倍；高效协议需要两次下行链路；而RECON协议和QKPC协议仅需一次下行链路。因此，后两者在星地远距离通信中更具优势。模拟分析表明，QKPC协议在低、中、高轨道卫星通信场景下，其速率和抗噪声性能均优于BB84 QKD协议。

第七，自由空间QSDC的未来发展充满机遇，需要多方向突破。 文章展望了多个未来研究方向： 1. 长距离自由空间QSDC：需要更好的编解码方案以及捕获、对准、跟踪（APT）技术，以应对大气衰减、衍射、湍流、指向误差和背景噪声。 2. 基于移动平台的QSDC：利用卫星、无人机、船舶、车辆等平台，构建灵活、快速部署的安全通信手段。挑战在于开发精确、快速、稳定的APT模块以及QS DC模块的小型化。 3. 空-地一体化QSDC网络：构建包含卫星、无人机、海上平台、地面光纤网络和点对点大气信道在内的综合量子安全网络，是长远目标。 4. 新型自由空间QSDC协议设计：旨在降低硬件复杂度、提高安全容量，特别是无需量子存储器、无信息泄漏且能实时窃听检测的单向协议。 5. 针对自由空间信道的安全分析：需要考虑有限长效应和大气信道特性，并在更现实的“视距窃听信道模型”下评估安全容量。

第八，提出“经典密码保障的不完美器件量子安全直接通信”的实用化发展路线。 这是本文提出的一个核心且具有实践指导意义的观点。文章指出，尽管量子密码在理论上可实现无条件安全，但实际设备的不完美性会引入安全漏洞，而完全消除这些漏洞非常困难。测量设备无关和器件无关协议旨在解决此问题，但实现难度大。作者提出了一个务实的路线：CAID-QSDC。其核心思想是，不等待QSDC达到完美的无条件安全再投入应用，而是将使用不完美器件的QSDC与经典密码学或后量子密码学相结合。具体而言，用QSDC传输经过经典（或后量子）密码加密的密文。这样，即使QSDC因器件不完美而在极不可能的情况下失效，经典密码仍能提供安全保障；同时，QSDC剥夺了窃听者获取密文的能力，彻底消除了“存储现在，解密未来”的威胁。这种双重保护方案，利用现有技术提供了最高级别的安全性。由于QSDC与现有经典网络兼容，只需替换或增加通信模块，即可实现量子增强的保密通信，因此可以快速在现实生活中得到应用。

文章的意义与价值

本文作为一篇系统性综述，具有重要的学术价值和指导意义。首先，它全面、清晰地梳理了QSDC，特别是自由空间QSDC这一新兴领域的基础理论、协议演进、系统架构和实验进展，为领域内的研究人员和学生提供了宝贵的学习资料和参考文献索引。其次，文章不仅回顾过去，更着眼于未来，深入分析了自由空间及星地QSDC面临的关键技术问题（如波长选择、编码策略、信道特性），并提出了明确的研究方向和发展路线图，对后续研究具有重要的引领作用。最后，文章提出的“CAID-QSDC”发展路线极具创新性和实用性，为QSDC从实验室走向大规模实际应用指明了一条切实可行的路径，平衡了理论安全、现实约束和工程落地之间的关系，有望加速量子安全直接通信技术的产业化进程。本文是理解量子安全直接通信，特别是其自由空间应用现状与未来的重要文献。