量子网络通信因为其具有很高的保密性和安全性而慢慢发展成为一种极为重要的通信方式，同时，处理量子信息的方法也越来越成熟，比如量子密钥分发、量子隐形传态和量子安全直接通信等。量子直接通信技术因其相对简单的通信步骤而后被提出，用户之间可以直接通过安全量子通道发送秘密信息，而且在这一过程中攻击者的任何操作都无法从中获取任何有用的信息。因此，量子直接通信协议的通信步骤简单，减少了潜在的安全漏洞，并提供了安全保证，这在总体上继续增强了量子通信的安全性和实用性，而基于纠缠的量子安全通信协议中无法同时区分四组编码的正交纠缠状态限制了直接通信的实际应用。此外，为了使量子安全直接通信的广泛应用，构建量子网络实现多用户通信变的十分重要。

为此，研究团队提出并实验实现了基于时间-能量纠缠和和频的15用户量子直接通信网络。 15个用户处于完全连接的量子安全通信网络中，网络中包括五个子网，如图一中所示，图一(a)表示了网络中15个用户之间的连接，图一(b)表示子网的中三个用户之间的连接。网络中任意两个用户之间都可以进行量子直接通信任务，我们在实验中测得任意两个用户共享的纠缠状态保真度大于97%。

图一 量子网络组成 (a)由五个子网完全连接的量子网络；(b)子网中三个用户之间的连接

实验结果表明，任意两个用户在40公里以上的光纤进行量子直接通信时，如图二所示，他们共享的纠缠态保真度仍然大于95%，信息传输速率可以保持在1Kbp/s。 我们的结果证明了所提出的量子直接通信网络的可行性，从而为未来实现大规模网络通信奠定了基础。

图二 实验装置 (a)量子网络的物理结构；(b)通过自发参量下转换产生纠缠源的光谱；(c)和频过程。

该成果发表在“Zhantong Qi, Yuanhua Li, Yiwen Huang, Juan Feng, Yuanlin Zheng, and Xianfeng Chen, A 15-user quantum secure direct communication network, Light: Science & Applications, 10, 183 (2021)”。

原文链接： https://doi.org/10.1038/s41377-021-00634-2