本研究已在SCI期刊《Science Advances》上发表（最新中科院SCI期刊分区：综合性期刊1区Top，IF 117），期望能为各位带来好运~ 文章标题为：基于相同生物量子状态的同时信息传输与密钥交换。

量子通信利用光子量子态实现信息论安全，类似于量子安全直接通信（QSDC），能够在面临噪声和窃听者的环境中确保安全可靠的交流。然而，QSDC的高度损耗和有限的通信距离限制了其在实际生物医疗领域的应用。在本研究中，我们提出了一种基于单光子的单向准QSDC协议，允许在相同的单光子中并行进行信息传输和密钥交换，并通过纠错及频谱扩展技术增强抵御损耗和错误的能力。

本研究设计的实验表明，该系统在标准通信光纤中可实现每秒238千比特的实时安全传输速率，并创造了1048公里的通信传输世界纪录。这一系统为QSDC在生物医疗领域的实际应用奠定了基础，提供了一种独特的在线窃听检测方法，对于关乎生命安全的医学数据至关重要。

我们提出的STIKE协议基于单光子，并通过诱骗态技术扩展至弱相干激光。值得注意的是，该协议已在实验中验证，并在标准通信光纤中实现了125GHz重复频率下的1048公里通信。这为生物医疗领域的远程准QSDC应用奠定了基础，对构建安全通信网络具有重要意义。

所提出的STIKE单向准QSDC与传统的量子密钥分发（QKD）机制不同。在理想情况下（无误码和无损耗），安全密钥的消耗速率与生成速率相同，类似于可永久重复使用的预共享密钥。然而，现实应用中，密钥消耗往往大于生成，需额外的密钥协商以补偿安全密钥存储（SKS）中的减少。

STIKE系统设计了多种运行模式。在一种极端情况下，STIKE仅用于密钥交换，即Alice发送随机数而不利用共享密钥加密，这被称为完全密钥交换（FKE）模式；在另一极端情况下，STIKE仅用于信息传输，消耗SKS中的安全密钥而不生成新密钥，称为完全通信（FC）模式。在FC模式下，因其目标为确保信息的可靠传递，量子比特误码率（QBER）可高于常规设定的阈值（如11%）。该模式适合在存在窃听者的信道中，因任务紧急而无法等待窃听者撤离的情况存活。一旦SKS中的密钥耗尽，FC模式将停止运行。

为了增强密钥生成能力，STIKE还具有持续模式。当传输数据时，每帧中的一部分被指定为掩码码字，另一部分专门用于量子密钥交换（利用随机数）。尽管此方法略降低了通信带宽，但在密钥消耗与生成之间形成了平衡。通常，STIKE可在标准模式下运行，即在预定的QBER条件下同时传输信息并提取新密钥。然而，由于信道损耗和噪声，生成的密钥数量有时不足以满足消耗需求。因此，当SKS中的密钥数量降至警戒水平时，用户可切换至FKE模式以补充密钥。在非通信状态时，STIKE同样可在FKE模式下进行密钥协商，以填充SKS。

在当前的技术条件下，将这一通信能力整合至经典医学网络以实现实际应用尚需进一步探索，特别是在需要传输少量高度敏感的医疗信息时，例如国家安全和金融信息安全防护。在现有条件下，制定提升性能的可行路线，聚焦更高性能设备及编码技术的优化，将会推进此项研究。例如，高重复频率光源及高效单光子探测器的使用有助于提升系统性能。同时，构建更高效的纠错编码并优化扩展比率以应对信道损耗将进一步改善通信效果。这些技术改进将解决当前存在的局限性，并拓宽潜在的应用场景。基于点对点系统性能的提升，这一方法亦可扩展至自由空间通信和多用户网络应用。

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