高維量子密鑰分發研究取得新進展

中國科學院院士、中國科學技術大學教授郭光燦團隊在高維量子密碼領域取得新進展：該團隊韓正甫研究組利用量子態的不同自由度之間的映射方法，設計並實驗驗證了一種保真度和穩定性極佳的高維量子密鑰分發方案。該研究成果於近期發表在Physical Review Applied上。

高維量子密鑰分發利用高維量子態編碼，可以在單個量子態上載入多於1比特的經典信息，從而有效提高安全密鑰生成率；同時，高維量子密鑰分發可以容忍更高的系統誤碼率，因此具有更強的抗噪能力。與BB84協議等常用的二維量子態編解碼技術相比，實現光子軌道角動量等高維量子態的高保真、高速率編解碼的難度顯著提升。因此，現有的高維量子密鑰分發技術仍停留在原理驗證階段。制約該技術實用化發展的核心問題是高維量子態的製備、傳輸和測量。

量子密碼組陳巍、銀振強等人基於光子的偏振-軌道角動量不可分離態，提出了偏振和軌道角動量雙自由度之間的態映射方法和實現方案，進而實現了對高維量子態的高精度製備和測量。該方案在操控光子偏振態的同時，可以通過映射裝置同時高精度的操控光子的軌道角動量量子態，從而實現高保真度的信息載入和提取。與現有技術相比，該方案的最大優勢在於編解碼過程不需要進行光子態的干涉操控，因而具有很低的本底誤碼率和極佳的穩定性。

量子密碼組基於該方法實現的高維QKD系統的平均誤碼率僅為0.6%±0.06%，利用弱相干光源實現了1.849比特/脈衝（理論極限為2比特/脈衝）的高篩後安全密鑰率。並且，由於系統只需操控光子的偏振態，有望實現與二維量子密鑰分發系統相同的高工作速率，因此具有很好的應用潛力。該研究工作為解決高維量子密鑰分發的態製備和態測量兩大難題開拓了一條有效的解決思路，為高維量子密鑰分發技術的實用化起到了積極的推動作用。

該論文的第一作者是中科院量子信息重點實驗室博士後王紡翔，通訊作者是陳巍和銀振強。上述研究得到科技部、國家自然科學基金委、中科院和安徽省的支持。

圖：基於不同自由度之間態映射的高維量子態(a)-(b)製備和(c)測量方法

來源：中國科學技術大學

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