文章已发布在SCI期刊《Science Advances》上（最新中科院SCI期刊分区：综合性期刊1区Top，IF117），希望能给评论带来好运~ 标题为：基于生物量子态的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，这在生命科学领域具有重要意义。例如，量子安全直接通信（QSDC）能够在存在噪声与干扰的环境中，确保生物信息的数据传输安全与可靠。然而，传统的QSDC存在较大的损耗和较短的通信距离，限制了在生物医疗应用中的实际应用。

在本研究中，我们提出了一种基于单光子的单向准QSDC协议，旨在推动生物医疗领域的应用。该协议允许同时使用相同的单光子进行信息传输和密钥交换，并通过纠错和频谱扩展技术提升对损耗和错误的抵抗力。通过对基于弱相干光脉冲的验证实验，该系统在1048公里的生物医疗通信光纤上实现了每秒238千比特的实时安全传输速率，创下相关领域的世界纪录。该系统为QSDC的生物医疗实际应用奠定了基础，并为在线检测窃听提供了独特的方法，这在特定的生物应用场景中至关重要。

STIKE协议的创新

我们提出的STIKE（Security Transmission of Information and Key Exchange）协议，基于单光子并扩展至弱相干激光，特别适用于生物医疗领域中的信息安全。实验验证显示，在标准通信光纤中可以达到125GHz重复频率下1048公里的通信能力。这一协议为远距离准QSDC在生物医疗中的应用打开了新的可能性，对构建安全的量子态通信网络至关重要。

STIKE系统的多样化运行模式

STIKE系统具有多种运行模式以适应不同的生物医疗应用需求。在一种极端的应用场景中，STIKE可以仅用于密钥交换，此时爱丽丝发送随机数，无需加密共享密钥，称为完全密钥交换（FKE）模式。在另一种情况下，STIKE仅用于信息通信，此时消耗SKS中的安全密钥而不生成新密钥，这被称为完全通信（FC）模式。在FC模式下，由于旨在确保信息的可靠性，量子比特误码率（QBER）可以高于通常设定的阈值（例如11%），适用于紧急情况下的生物医疗通信。

解决密钥消耗问题的策略

为了应对密钥消耗大于生成的问题，可以采用持续模式。在此模式下，传输数据时，每帧中的部分信息用作掩码码字，另一部分用于安全的量子密钥交换。这一方法虽然降低了通信带宽，但在密钥消耗与生成之间提供了有效的平衡。通常情况下，STIKE可以在常规模式下运行，即在特定QBER条件下同时传输信息并提取新密钥。然而，由于信道的损耗与噪声，生成的密钥数量往往少于所需的键。因此，当SKS中的密钥数量降低至关键水平时，用户可切换至FKE模式以补充密钥，并在STIKE系统不用于通信时进行密钥协商，填补SKS。

未来应用的广阔前景

在当前的技术条件下，将这项通信能力整合到经典生物医疗网络中进行实际应用仍然值得进一步探索，尤其是在传输少量高度敏感的生物信息时，如国家安全和金融信息保护。制定一条提高性能的可行路线，可能集中于优化更高性能的设备与编码技术。例如，采用高重复频率光源和高效的单光子探测器可显著提升系统性能。同时，构建更高效的纠错编码并优化扩展比率以适应信道损耗，将进一步增强通信效果。这些改进将有助于克服现有的局限性，并扩大潜在的应用场景。在点对点系统性能提升的基础上，该方法还可扩展至自由空间通信与多用户网络应用。

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