此文选自《物理与工程》2026年第5期——清华物理系“百年系庆”专刊

张飞昊1 龙桂鲁1，2

（1 北京量子信息科学研究院， 北京100193; 2 清华大学物理系， 北京100084）

摘要

量子安全直接通信是以量子态为载体，直接安全传输信息的量子通信技术，由清华大学团队于2000年首次提出。量子通信泛指通过使用量子态完成信息传输的技术，按量子态传输的内容不同可分为三类：传输随机数的量子密钥分发、传输经典信息的量子安全直接通信、传输量子信息的量子隐形传态。经过二十余年发展，量子安全直接通信逐步成熟并走向应用：建立了适配高损耗、高噪声及高安全要求场景的通信理论体系，完成了光纤与自由空间中的量子直接通信实验演示，建成城域、城际及组网三个量子安全直接通信里程碑系统，并在5G专网、银行等多种场景成功试用。量子安全直接通信具备多种用途：通过窃听感知而避免信息泄露，保障信息安全；通过监听感知定位暴露位置，为预防定点清除、保护指挥员人身安全提供技术支撑；还可通过感知侵入与篡改行为，为网络安全提供新型防护。目前，量子直接通信已被纳入中国、欧盟及美国的相关规划文件，正在快速发展。本文将简述量子直接通信的发展历史、基本原理、研究进展与未来展望。

关键词：量子安全直接通信；量子直接通信；量子通信

1 量子安全直接通信的建立

量子安全直接通信（quantum secure direct communication，QSDC），简称量子直通，是以量子态为载体直接传输经典信息的量子技术。人们熟知的量子密钥分发（quantum key distribution，QKD）是以量子态为载体传输随机数。窃听量子态会改变量子态，进而导致误码率上升，通信双方可借此判断传输的随机数是否被窃听：若存在窃听则丢弃本次传输的随机数，确认无窃听后，再将随机数升级为密钥，用于后续的经典加密通信。需要说明的是，量子密钥分发本身不能传输预先生成的已有密钥。与QKD不同，QSDC直接传输信息，窃听发生时量子态会自动改变，以此保障信息安全；如有窃听，通信则自然停止；若无窃听，信息就能完成安全传输。量子直通可以传输已有的密钥，也就是传统密码学中所说的密钥分发。2000年，龙桂鲁与刘晓曙提出了第一个量子直通协议^[1]，后来称为高效协议，高效协议采用纠缠对作为载体传输确定密钥，而密钥本身就是一类对安全性要求极高的信息。2003年，邓富国、龙桂鲁、刘晓曙等提出了两步协议^[2]。2004年邓富国、龙桂鲁提出了单光子的来回协议。同年邓富国和龙桂鲁提出了基于单光子的单向传输的密钥重复使用协议^[3]，其改进版于2007年公开^[4]。

原始创新往往难以获得理解，其成果被学界接受存在巨大阻力。Wiesner提出的共轭编码是量子通信的基础，该成果在1970年投稿时即被拒稿。而Bennett、Brassard等人在提出QKD前，最早开展的就是QSDC研究，他们的论文也在1982年被拒，此后转而研究传输随机数的QKD。即便如此，在龙桂鲁等人提出QSDC的14年后，也就是他们首次投稿整整32年后的2014年，他们终于发表了这篇文章^[5]。值得注意的是，这一协议与龙桂鲁等人提出的单光子密钥重复使用协议本质一致：都是采用一组共享密钥加密信息，用量子态编码密文后传输；如果传输过程未被窃听，该组密钥就可以无限重复使用。

2 量子直通的原理

我们以三个协议来说明其原理。在高效协议中，信息加载在Bell纠缠量子态上，信息以一定数量的量子态组成的块来传输，从每个纠缠态中取出一个粒子，组成一个单光子的有序队列，剩下的另一个光子组成另外一个有序单光子队列。发送者先传输一个单光子序列队，接收方收到后从中选取部分单光子进行测量，将测量结果与发送者的测量结果比对。如果有窃听，量子纠缠态被破坏，从而保护信息不会泄露，同时也会造成比对测量结果出现较大误码，使得通信停止；如果没有窃听，则将剩下的另一个光子队列发送给接收方，接收到全部两个光子序列的接收方，通过做Bell测量从而读出信息。Seth Loyd等指出^[6]该方案的信息安全是不让窃听者获得纠缠态的全部。

基于单光子来回协议的DL04协议中^[7]，接收方向发送方传输光子序列，光子随机地处在0、1、0+1、0-1四种状态。发送方收到后，对其中部分单光子进行测量，并将结果与接收方比对。如果没有窃听，则将信息以操作加载，如果要传输|0⟩，则不做任何操作，如果要传输|1⟩，则对单光子做iY操作，这一操作不改变光子的测量基矢，即实现以下转化，0↔1, 0-1↔0+1，然后传回给接收方，接收方在原来的基矢中测量其状态，如果状态不变，则表示|0⟩， 如果状态改变则表示1。这种情况下，是在窃听者还没有获得信息前就发现窃听者，在确认没有窃听后才将信息加载。

基于单光子的单向协议中，发送方和接收方共享两套密钥。一套用于同步双方的测量基矢，即如果密钥序列的数为0时，双方采用{0,1}基矢来编码和测量信息；如果序列的数为1，则采用{0+1,0-1}基矢编码和测量。这样双方总是采用相同的基矢制备和测量量子态，不会有BB84的QKD协议中只有一半传输的光子才可使用的问题。他们共享的另外一套密钥将信息加密为密文，这样传输中如果有窃听，丢失的只是密文，而信息本身安全。如果没有窃听，则这两套密钥可以不断地重复使用。与QKD加一次一密经典传输不同，本协议中的密钥是重复使用的，而一次一密只使用一次。在实际运行中，可以从传输密文的量子态中重新提取密钥，也就是说同时传输密文和产生密钥。

量子直通和量子密钥分发的根本区别在于使用量子态传输信息本身，而QKD传输的是随机数。

3 量子直通的用途

量子直通是三安通信：信息安全、网络安全、人身安全。下面分别叙述。

（1） 提供信息安全的量子直通

量子直通技术的第一个应用是保障信息安全，这与量子密钥分发、抗量子密码的目标一致，但实现方式不同。量子直通共有三种应用方式：第一种是直接传输高安全等级的核心指令信息，由于当前量子通信速率不高，这种方式适用于短距离小体量的高安全等级指令传输；第二种是传输预先设定好的密钥，这类密钥可作为经典密码的种子密钥，例如AES经典密码的对话密钥，再通过经典加密算法传输大量信息，该方式当前在网络和点对点场景中已有大量应用。需要注意的是，这项功能是QKD不具备的：QKD无法传输事先确定的密钥，仅能通过传输随机数协商产生新密钥；第三种方式是传输随机数以协商密钥，这其实就是QKD的功能，也就是说量子直通本身包含了QKD的功能。在此场景下，量子直通是一种确定性QKD，可确定性传输随机数，不像BB84协议那样，产生的密钥也是从传输的随机数中随机产生。

与传统通信中密钥传输和信息传输相互分离的模式不同，量子直通将安全保障嵌入了信息传输的全过程，全程通过量子态传输完成通信，窃听者无法在不干扰量子态的前提下获取信息；而一旦发生窃听，窃听行为本身就会干扰破坏量子态，通信双方也能立刻察觉，最终实现信息不泄露，可为政务、金融、电力等领域的高敏感核心信息传输提供全链路安全防护。

（2） 为网络安全提供主动保护

一旦信息在传输过程中受到窃听、监测或篡改，量子直接通信的误码率就会立即上升，进而发出预警并终止通信。从通信角度来看，这似乎是一种劣势——破坏者只需持续窃听就能阻断通信。这固然是量子直接通信的一个弱点，但这种破坏本质上和剪断经典光通信的光纤链路并无区别，只不过它的破坏手段更隐蔽精细。而对网络安全而言，这恰恰是一个优点：当遭遇侵入和篡改时，网络中的量子直通会自动停止传输，阻止破坏进一步蔓延。这种为网络提供主动防护的方式，和事后通过学习完成杀毒、免疫的方法形成了鲜明对比。

（3） 为被监测提供预警，规避“斩首打击”

“斩首打击”已成为现代战争中不容忽视的作战形态——从委内瑞拉总统被捕到伊朗高层遭精准定点清除，通过通信信号锁定目标位置，始终是这类行动的核心环节。而传统通信技术既无法感知自身是否被监听，也难以察觉行踪已经暴露，因此研发有效的反监听技术，成为防范定点清除的关键。量子直接通信以量子态作为信息载体，一旦通信过程受到监测或窃听，系统误码率就会急剧上升，从而及时向用户预警位置暴露的风险，为规避斩首打击提供技术手段。

4 量子直接通信协议进展

自2000年量子直通概念首次提出以来，该领域早期发展主要聚焦于理论研究。2003年，邓富国等人提出了两步量子直通协议。随后，2004年，基于单光子的量子直通协议DL04以及基于单光子的单向量子直通协议相继问世。2005年，王川等人又提出了利用高维Bell态的量子直通协议^[8]。

2004年，吕欣、马智、冯登国提出了基于CSS码的量子直接通信方案^[9]。2005年，王川等研究者提出了基于GHZ态的多步量子直通协议，张战军则在DL04协议的基础上构造了多方量子秘密共享协议。高婷、闫凤利等提出了基于量子纠缠和纠缠交换的量子直通协议^[10]，后续他们做了大量的重要工作。

2006年，延边大学与韩国高丽大学金星日研究团队合作提出了基于GHZ态的三方量子直通协议。在此之后，美国麻省理工学院、意大利研究团队及英国学者Stefano Pirandola等人提出了基于连续变量的量子直通协议；中山大学孙志伟等人提出了基于团簇态的量子直通协议；电子科技大学与成都信息工程大学昌燕等人提出了基于量子直通的认证协议；麻省理工学院Shapiro等人提出了基于量子照明的量子直通协议。

施锦、龚彦晓、徐平、祝世宁、詹佑邦在2011年提出了基于超纠缠的量子直接通信协议^[11]。

量子直通协议的安全性研究也随之开展。目前学界已严格证明两步量子直通协议在个体攻击模式下的安全性。基于Wyner窃听信道理论，已有研究推导出DL04协议与两步量子直通协议在渐进条件^[12]以及有限长效应下^[13]的安全码率公式，为量子直通的安全性分析提供了定量理论基础。

针对实际应用场景中量子器件固有缺陷所引发的安全性问题，测量设备无关（Measurement Device Independent, MDI）^[14]与设备无关（Device Independent, DI）^[15]量子直通协议先后被提出，目前已有大量研究围绕两类协议的安全性展开深入分析。

5 量子直接通信的实验突破

在实际应用环境中，量子直接通信研究受到噪声和损耗的影响，遇到了极大困难。首先，经典通信的编码理论无法应用于量子直接通信；同时，量子密钥分发的后处理方法也不适用于量子直接通信。长期以来，量子直接通信的研究都局限于理想条件下的理论探讨，始终缺乏相关实验演示。

直至2016年，山西大学胡建勇、肖连团与清华大学龙桂鲁等人基于频率编码方案，首次完成了基于单光子的DL04协议的实验验证^[16]，成功证实量子直通协议在存在噪声与损耗的信道中具备可行性。2017年，来自中国科学技术大学与南京邮电大学的张伟、盛宇波等联合团队借助量子存储技术，完成了基于纠缠的高效协议与两步量子直通协议的原理可行性验证^[17]；同年，清华大学与南京邮电大学的张巍、盛宇波等人利用光纤纠缠源，完成了量子直通协议在光纤信道中的原理性实验，首次证实量子直通可实现500米距离的实用化传输^[18]。

5 量子直接通信的实验突破

在量子直通原理验证实验突破的推动下，量子直通实用化系统的研发得到了迅速推进。2019年清华大学戚若阳等人建立了噪声环境下的量子直通理论，推导得出协议安全码率的解析公式，并发展出针对高损高噪信道的信息安全编码方案，让量子直通样机的研制成为可能^[19]。

为解决尚未有实用化量子存储器件的难题，清华大学研究组提出了无需量子存储的量子直通编码方案，采用延时编码技术，将信息序列分组，利用时序中前序分组的安全参数生成编码所需输入，对当前分组的信息进行传输编码。这一方案的原理和密钥重复使用协议一样，将此前通过量子态传输的密文处理后提取密钥，供后续加密使用。

2019年，国际首款量子直通实用化原理样机成功研制，该系统实现了信息编码、调制、传输、解调、解码的完整流程，在1.5km光纤中实现了50bps的传输速率。后续经过优化升级，该样机在10公里光纤中达到了4kbps的传输速率，并作为重大成果在中关村论坛发布。

2020年，潘栋等基于自由空间的量子直通原理验证实验顺利完成，这是无线量子直通的首次实验验证。

2021年，龙桂鲁等人提出了INCUM技术^[20]。在量子直通协议的传输过程中，发送方会在发送前对每个光子携带的量子态用本地随机数做一次一密加密，接收方收到信号后公布其所接收序列的位置，发送方仅公布这些位置对应的随机数，使得丢弃的量子态全部被随机数掩盖，窃听者只能从接收方收到的量子态中窃取信息，由此大幅提升了安全信道容量。基于该技术结合混合编码技术，量子直通的传输距离得到大幅提高：2022年在DL04协议中突破100km，创造了量子直通传输距离新的世界纪录。

2023年，西北大学曹正文等人实现了5公里光纤中速率达400kbps的连续变量量子直通演示^[21]；意大利与法国团队则完成了实验室场景下自由空间连续变量量子直通实验^[22]。

2025年，龙桂鲁团队在密钥重复使用协议的基础上结合INCUM技术，构造出可同时实现信息安全传输与密钥协商的STIKE协议^[23]：该协议采用单向传输经共享密码加密的密文，在传输信息的同时，可根据误码率从经量子传输的密文中提取密码，用于后续加密传输。依托该协议研制的量子直通系统，实现了104.8km单模光纤中2.38kbps的传输速率，完成了量子直通城际通信的里程碑节点。

2021年，上海交通大学陈险峰等人基于纠缠态完成了15用户量子直通网络的验证实验^[24]。2022年，清华大学、北京量子院、南京邮电大学和南安普顿大学的龙桂鲁、潘栋、盛宇波、薛其坤、陆建华、Hanzo共同提出安全中继组网方案，并完成了实验验证^[25]，同时给出了量子互联网发展的七阶段路线图——该路线图在欧洲提出的六阶段路线图基础上，新增了安全中继网络阶段。

安全中继网络的核心思想是：用量子直通传输经抗量子攻击的PQC等经典密码加密后的密文，采用经典中继方式，在经典中继节点将密文从量子信道读出，转化为经典密文，过程中密文始终受经典密码保护，因此该节点为安全中继节点。依托这一技术，可利用现有技术和网络构建端到端安全的量子网络，该方案当前即可投入使用，未来也可继续在量子互联网中应用。

同年，北京量子院、清华大学牛鹏皓等人提出了QNUS方案，该方案可大幅降低量子直通网络的终端部署成本，采用光学开关实现连接，可将终端数量缩减至N，其中N为网络中的用户数量。2023年，北京量子院、清华大学王敏等人实验演示了具备安全中继功能的三节点量子直通网络。

量子直通的应用需要与现有信息系统架构融合。2024年，王敏等人通过将数字签名编码至量子态进行传输与验证，开发出一种具备全面安全特性的量子信道访问验证方案；孙泽洲等人则提出了量子直通的握手认证方案。2025年，孙泽洲等人提出了基于量子直通的多协议混合部署量子网络及其路由策略，同时提出了基于量子直通的量子区块链应用。

2024年清华大学和北京量子信息科学研究院刘雨辰等提出了量子通信传感一体化方案，在进行量子直通的同时开展量子传感，将传感和安全传输相结合。

目前量子直通已在华夏银行实现落地应用：通过量子直通传输敏感信息，推动了信贷2.0的发展^[26]；同时，量子直通已在中国移动5G专网中用于跨域指令的安全传输试验，满足了技术演进的需求。

7 讨论与展望

美国、欧洲、日本、韩国等40多个国家和地区的研究人员都开展了量子直通研究。早期的研究多集中在协议的理论研究，采用不同的载体，如团簇态、高维量子纠缠态等，构造量子直通协议。

国际上量子直通研究也得到迅速发展。Bennett等早在1982年就开展了量子直通相关研究，不过该研究的论文当时并未被接收。直到2014年，这篇论文才得以正式发表，相关成果也深化了学界对量子直通这一方向的认知。澳大利亚Pieprzyk教授等利用量子直通构造量子通信协议，韩国Chun Seok Yoon等利用量子直通和量子搜索树算法构造了量子签名协议，伊朗Dehkordi等利用量子直通构造秘密共享协议，奥地利科学院Walther教授等实验研究了双向量子直通，并研究了量子直通的安全性。俄罗斯量子中心的Zhukov等研究了量子直通的标志性能。日本Murakami等构造了新的量子直通协议。 美国Rochester大学、NIST和麻省理工的Lum等、MIT的Shapiro等在DARPA的支持下开展量子低概率截获通信的量子直通研究^[27]。美国工程院院士Lindsay等构造了基于谱学方法的量子直通协议。英国皇家工程院院士Hanzo团队在量子直通方面开展了系统深入的研究，取得了一系列重要成果，如无存储两步量子直通方案等，有效提升了经典信道容量与频谱效率。

目前国外已开展相关实验研究：2025年，意大利与法国的联合研究团队在实验室光学平台上完成了量子直通的实验演示^[28]；2021年，瑞士Hugo Zbinden团队提出了星地量子直通方案^[29]；2023年，欧洲完成了载荷的理论设计^[30]；2025年完成了实验室桌面自由空间实验^[31]。

欧盟相关政策部门也高度重视量子直通。2018年，美国防务智库CNAS发表了美国国土安全部Costello与Kania的咨询报告，报告指出“量子安全直接通信可持续提升量子通信整体的安全性”^[32]。2024年最新版欧盟量子旗舰计划将量子直通纳入其中，明确“量子安全直接通信是一种全新的密码学方法，可直接传输秘密信息，无需事先分发私钥与经典密码”^[33]。

2023年，美国国防高级研究计划局DARPA启动了量子增强网络QUAENT计划，专门在该计划的第三个研究方向部署了量子直通与经典网络的融合研究，目前已完成相关里程碑节点^[34]。这表明美国军方对量子安全直接通信领域的重视。

未来，量子安全直接通信除提升性能外，主要发展方向是其实际应用：（1）在信息安全领域，通过与现有信息网络融合，在涉及信息安全的各个场景开展广泛应用；（2）在特殊领域，利用其感知暴露的能力，针对反斩首打击开展研究与应用；（3）作为新型网络安全工具，探索其在网络安全领域的全新应用；（4）向着芯片化方向发展；（5）建立星地一体化量子经典融合网络。

致谢：向评审人和对该文有帮助的人士表示谢意。

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基金项目:  国家自然科学基金（编号： 62471046）资助项目。

通信作者:  龙桂鲁，gllong@tsinghua.edu.cn。

张飞昊，北京量子信息科学研究院助理研究员。担任中国通信学会量子通信专委会委员。主要从事量子通信网络、量子直接通信和基于金刚石氮空位色心系统的量子信息处理等方向研究，发表学术论文10余篇。

龙桂鲁，清华大学教授，北京量子信息科学研究院副院长，美国物理学会和英国物理学会会士；曾任亚太物理学联合会理事长、国际纯粹与应用物理联合会物理与发展委员会副主席；获得全国优秀科技工作者、国务院特殊津贴，国家自然科学奖二等奖，教育部、中国电子学会、中国通信学会自然科学奖一等奖，IBM全球杰出学者奖，汤逊路透卓越研究奖等。代表成果：原创提出量子直接通信，原创提出酉算符线性组合量子计算方法；构造Grover-Long量子精确搜索算法；提出“波函即物”量子力学解释。

引文格式:  张飞昊，龙桂鲁. 量子安全直接通信[J]. 物理与工程，2026：网络首发.

Cite this article: LONG G L. Quantum secure direct communication[J]. Physics and Engineering, 2026： online first. (in Chinese)

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