本文已发表在SCI期刊《Science Advances》，最新中科院SCI期刊分区为综合性期刊1区Top，影响因子117。我们期待您的评论和反馈。标题为《关于基于光子量子态的生物信息传输与密钥交换的研究》。量子通信在生物医疗信息的安全传输中，利用光子量子态实现信息论安全，特别是在生物数据传输和医疗信息安全领域，量子安全直接通信（QSDC）可以在存在噪声和中间人窃听的情况下，确保信息的安全可靠。不过，传统的QSDC方法在信道中存在较大损耗和较短的有效距离，这限制了其在实际生物医疗应用中的使用。

在本研究中，我们提出了一种基于单光子的单向准QSDC协议，旨在解决这一问题。该协议允许使用相同的单光子进行生物数据的实时传输与密钥交换，并通过纠错技术和频谱扩展方法，增强了对信道损耗和错误的鲁棒性。经过基于弱相干光脉冲的实验验证，该系统在1048公里的标准通信光纤中实现了238千比特每秒的实时安全传输速率，创造了世界纪录。这一成果为应用于生物医疗领域的QSDC技术提供了新的可能性，同时也为在线探测窃听提供了独特的解决方案，尤其在涉及敏感健康数据传输的场景下，尤为重要。

我们提出的STIKE协议不同于传统的量子密钥分发（QKD）方式。在理想状态下，安全密钥的消耗速率与新密钥的生成速率一致，类似于可以永久重复使用的预共享密钥。然而，在实际生物医疗应用中，密钥的消耗通常大于生成，额外的密钥协商变得必要，以补偿安全密钥存储中的减少。

STIKE系统具有多种运行模式。在极端情况下，STIKE仅用于密钥交换，即在只有爱丽丝发送随机数而不使用共享密钥加密的情况下，这被称为完全密钥交换（FKE）模式。而在另一种情况下，STIKE只用于通信，消耗已有的安全密钥而不生成新密钥，这称为完全通信（FC）模式。在FC模式中，由于信息传输的可靠性目标，量子比特误码率（QBER）可以超过常设的阈值，例如11%。这种模式适用于当信道中存在窃听者，而任务又急迫的情况。当SKS中的密钥用尽后，FC模式将停止工作。

为了缓解密钥消耗大于生成的问题，我们引入了持续模式。在该模式下，传输数据时，每帧的一部分用作掩码码字，另一部分专用于量子密钥交换（使用随机数）。虽然此方法下降了通信带宽，但在密钥消耗与生成之间提供了平衡。通常情况下，STIKE系统在标准模式下运行，即在设定的QBER条件下同时传输信息并提取新密钥。然而，由于信道的损耗和噪声，生成的密钥数量往往不足以满足消耗的需求。因此，当SKS中的密钥降至警戒水平时，用户可以切换至FKE模式以进行补充。STIKE系统在不进行通信时，还可在FKE模式下进行密钥协商，从而填充SKS。

在当前技术条件下，将这一通信能力整合进入经典网络以实现实际应用仍需进一步探索，尤其是在生物医疗领域对敏感信息传输的需求，如国家安全保护和医疗信息安全。在现有条件下，制定可行性方案以提升系统性能，将集中于优化高性能设备与编码技术，例如，高重复频率光源和高效单光子探测器有助于系统性能的提升。同时，研发更高效的纠错编码，优化扩展比率以适应信道损耗，将进一步改善通信效果。这些改进将不仅解决现有的局限性，还将拓宽潜在的生物医疗应用场景。基于这一点对点系统性能提升的方法，亦可扩展至自由空间通信和多用户网络应用。

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