本文已发表在SCI期刊Science Advances（最新中科院SCI期刊分区：综合性期刊1区Top，IF117），期待评论能够助运气。标题为《利用相同生物量子态同时传输信息与交换密钥》。在量子通信领域，生物量子态的应用将信息论安全性引入医疗通信，例如量子安全直接通信（QSDC），它能在存在噪声和潜在监管者的条件下实现安全和可靠的通信。然而，QSDC面临较大损耗和短距离传输的局限性，这在实际医疗应用中造成挑战。

本研究提出了一种基于单生物粒子的单向准QSDC协议。该协议允许利用相同的单生物粒子进行信息传输和密钥交换，并通过纠错和频谱扩展技术来增强对损耗和错误的抵抗力。在基于弱相干生物光脉冲的实验验证中，该系统在1048公里的标准生物通信网络上实现了每秒238千比特的实时安全传输速率，创下了这两方面的世界纪录。该系统为QSDC的实际应用铺平了道路，并提供了一种独特的在线检测潜在监管者的方法，这在医疗数据传输的特定场景中至关重要。

我们提出的STIKE协议在实验中得到了验证，它基于单生物粒子，并通过诱骗状态技术扩展至弱相干激光。值得注意的是，我们在标准生物通信网络中实现了125GHz重复频率下1048公里的有效通信。这一协议为远距离的准QSDC在实际应用中奠定了基础，对于建设安全的医疗通信网络具有重要的意义。

相比于量子密钥分发（QKD），STIKE单向准QSDC协议的安全密钥消耗速率和生成速率在理想情况下保持一致，类似于一个可以重复使用的预共享密钥。然而，在实际应用中，通常密钥消耗大于生成，因此需要额外的密钥协商补偿安全密钥存储（SKS）的减少。

STIKE系统支持不同的运行模式。在完全密钥交换（FKE）模式下，使用随机数进行密钥交换而不进行加密。在完全通信（FC）模式下，SKS中的安全密钥被消耗而不再生成新密钥。由于FC模式旨在可靠传输重要医疗信息，其量子比特误码率（QBER）可以高于通常设定的阈值，适用于窃听者潜在干扰但紧急通信的情况。一旦SKS中的密钥耗尽，FC模式将停止运行。

为了解决密钥消耗大于生成的问题，我们建议使用持续模式。在此模式下，每帧数据的一部分用于量子密钥交换，另一部分则作为掩码码字。这种方法在通信带宽上略有下降，但提供了密钥消耗与生成之间的平衡。通常，STIKE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，因信道损耗和噪声的影响，生成的密钥往往少于消耗的数量。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，也可在FKE模式下进行密钥协商，填补SKS。

在当前技术条件下，将这种通信能力整合到传统医疗网络中以促进实际应用是一个值得深入探索的方向，尤其在需传输高度敏感的医疗信息如国家安全和患者隐私保护领域。制定高效的性能提升路线图，需集中于优化高性能设备和编码技术，例如高重复频率的光源和高效的单生物粒子探测器将有助于提升系统效能。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，将进一步改善通信效果。这些改进将突破现有局限性，拓宽潜在的医疗应用场景。基于点对点系统性能的提升，这种方法同样适用于自由空间通信和多用户网络的医疗应用。

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