本文发表于SCI期刊Science Advances（最新中科院SCI期刊分区：综合性期刊1区Top，IF117），期待各位评论能带来好运~ 标题为：《利用相同的生物量子态同时进行信息传输和密钥交换》。近年来，量子通信技术在生物医疗领域展现出巨大的潜力，它利用光子量子态实现信息安全，特别是在生物数据的传输和处理方面，量子安全直接通信（QSDC）能够在存在噪声和干扰的情况下保障数据的安全性。然而，QSDC的损耗大和通信距离短限制了它在实际生物医疗应用中的广泛使用。

在本研究中，我们提出了一种基于单光子的单向准QSDC协议，允许在生物医疗环境中使用同一单光子实现信息传输和密钥交换。通过纠错和频谱扩展技术，该协议增强了对信号损耗和误差的鲁棒性。我们在基于弱相干光脉冲的实验研究中验证了该系统在1048公里的标准光纤上实现每秒238千比特的实时安全传输速率，创下世界纪录。这一突破为量子安全通信在生物医疗领域的实际应用打下了良好基础，并提供了一种在特定场景下能够进行在线窃听检测的独特方法，确保了数据的保护。

我们提出的STIKE协议基于单光子技术，并通过诱骗态扩展至弱相干激光。实验中验证了该协议在标准通信光纤中以125GHz的重复频率实现1048公里的可靠通信。这一创新为生物医疗中的远程数据传输与安全通信提供了崭新的思路，尤其是在建立安全的跨领域医疗通信网络方面至关重要。

与传统的量子密钥分发（QKD）相比，STIKE单向准QSDC在实际应用中具有更高的灵活性。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当，形成可永久重复使用的预共享密钥。然而，实际应用中密钥消耗通常超过生成，因此需要额外的密钥协商，以补充在安全密钥存储（SKS）中减少的密钥量。

STIKE系统具有不同的运行模式。在某些情况下，STIKE可以仅用于密钥交换，此模式称为完全密钥交换（FKE），无需使用共享密钥进行加密。在另一种情况下，STIKE则仅用于数据传输，消耗SKS中的安全密钥而不产生新密钥，此称为完全通信（FC）模式。在FC模式下，由于关注信息的可靠传输，量子比特误码率（QBER）可以高于一般规定的阈值，适用于那些在信道中存在窃听者但对时效性有严格要求的场景。一旦SKS中的密钥耗尽，该模式将停止运行。

针对密钥消耗大于生成的问题，我们引入了持续模式。在此模式下，数据传输时每帧的一部分被用于掩码码字，另一部分则用于量子密钥交换（使用随机数）。尽管这种方法降低了通信带宽，但在密钥的消耗和生成之间提供了良好的平衡。通常情况下，STIKE可以在标准模式下同时进行信息传输和新密钥的提取，尽管由于信道的损耗和噪声，生成的密钥数量可能少于消耗的数量。当SKS中的密钥降至警戒水平时，用户可以切换至FKE模式以补充密钥。当STIKE系统不用于通信时，可以在FKE模式下进行密钥协商，以填充SKS。今后对实际应用的详细策略仍然是一个重要研究方向。

在现有技术条件下，将这种通信能力应用于经典生物医疗网络中，是值得进一步探索的。例如，在需要传输少量高敏感性生物信息的保护任务中，STIKE协议的优势显而易见。优化性能的路线可以集中于提升更高性能的设备和编码技术，比如高重复频率光源和高效单光子探测器等。此外，构建更高效的纠错编码并优化扩展比率以适应信道损耗，能进一步改善通信效果，解决现有局限性并拓宽潜在的应用场景。在点对点系统性能的基础上，这一方法同样可以扩展至自由空间通信及多用户网络应用。

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