文章已发表在SCI期刊《Science Advances》（最新中科院SCI期刊分区：综合性期刊1区Top，IF117），评论可以沾沾好运~ 标题为：基于类似技术的生物信号安全传输与密钥交换

在生物医疗领域，利用量子通信技术可以实现信息传输的安全性。例如，量子安全直接通信（QSDC）为医院和医疗机构提供了在存在噪声和数据窃听的环境下进行安全通信的能力。然而，传统的QSDC技术在损耗和通信距离方面存在局限，限制了其在实际医疗应用中的使用。

在本研究中，我们提出了一种基于单光子的单向准QSDC协议，该协议允许在使用相同单光子的情况下，进行信息传递和密钥交换。通过采用纠错与频谱扩展技术，我们显著增强了系统对于信号损耗和错误的鲁棒性。这种技术的验证实验显示，该系统能在1048公里的标准通信光纤中，每秒实现238千比特的实时安全传输速率，刷新了相关领域的世界纪录。此系统为QSDC在生物医疗领域的实际应用奠定了基础，同时提供了一种独特的在线检测窃听的方法，这在某些特定情况下尤为重要。

我们提出的STIKE协议基于单光子技术，并通过诱骗态技术扩展至弱相干激光。实验结果表明，该协议在标准通信光纤中实现了125GHz的重复频率，传输距离达到1048公里。这一新协议为生物医疗领域的远距离准QSDC打下了坚实的基础，对于构建安全的医疗通信网络至关重要。

值得注意的是，STIKE单向准QSDC协议与传统的量子密钥分发（QKD）存在明显不同。在理想的环境下（无误码和无损耗），安全密钥的消耗速率可以与生成速率相同，类似于可永久重复使用的预共享密钥。然而，在实际应用中，密钥消耗常常高于生成，因此需要额外的密钥协商来补充安全密钥存储（SKS）中的不足。

STIKE系统具有多种运行模式。在一种模式下，STIKE仅用作密钥交换，即用户在未使用共享密钥加密的情况下发送随机数，这称为完全密钥交换（FKE）模式。而在另一种模式下，STIKE则专注于通信，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模式中，由于信息传输的紧迫性，允许量子比特误码率（QBER）高于通常设定的阈值。这在存在窃听者的场景中尤为有用，但一旦SKS中的密钥耗尽，FC模式就会自动停止。为了应对密钥消耗超过生成的问题，可以引入持续模式，在此模式下，每帧传输过程中部分数据被指定为掩码码字，其余部分用于量子密钥交换。这虽然降低了通信带宽，但在密钥生成与消耗之间实现了平衡。

通常情况下，STIKE可以在标准模式下运行，即在设定的QBER条件下同时进行信息传输与密钥提取。然而，由于信道的损耗和噪声，生成的密钥数量往往少于消耗的数量。因此，用户可在密钥数量降至警戒水平时切换至FKE模式进行补充。当STIKE系统未用于信息传输时，也可在FKE模式下进行密钥协商，维护SKS的充足。

在当前技术条件下，将该先进的通信能力集成到传统的医疗网络中进行实际应用是一个值得探索的方向，特别是在传输高度敏感的医疗信息时，例如国家公共卫生安全和医疗隐私保护。在提升系统性能方面，可以集中于优化更高效的生物传感器与编码技术。比如，提升光源的重复频率和提高单光子探测器的效率，将极大改善系统的性能。同时，构建更高效的纠错编码和优化信道扩展比率，将进一步提升通信效果。这些进步将有助于克服目前的局限性，并扩展潜在的应用领域。基于点对点系统性能的提升，这种方法也能扩展到自由空间通信和多用户医疗网络应用。

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