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西安交大科研人员在高维量子密钥分配方面取得新进展

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量子密钥分配(Quantum Key distribution,QKD)是以量子力学和经典密码学为根本,利用微观粒子的量子属性实现信息保护的一种新型密码体制, 它是现阶段量子信息学中最广泛地获得实际应用的技术。由于量子密码提供了可证明安全性和检测窃听者存在与否的能力,它无疑具有非常重要的战略意义和巨大的应用前景,并将在信息安全中发挥重要的作用。

近年来,相关方向的科研人员开始尝试将量子信息编码到更高维的自由度上,从而实现让单个光子加载多个量子比特的信息。 高维量子密钥分配的实现将显著提高量子密钥分配的传输效率,从而使其尽快投入更广泛的实际应用当中。然而,在实验实现方面,基于高维量子系统的复杂性,密钥的发生和测量一直是困扰学界的最主要问题。

在西安交通大学理学院量子信息研究组张沛教授、王小力教授的指导下,博士生王傅民等经过两年的探索,通过使用光子横向模式光子轨道角动量与径向模式的复合编码解决了高维量子密钥分配系统密钥发生难,信息测量效率低的问题,首次提出了使用光子轨道角动量与径向模式的特殊复合量子态基矢(Mutually Partially Unbiased Bases, MPUB)进行高维量子信息的发送和接收。 MPUB中的量子态结构简单并可通过使用柱状透镜相互转换,从而极大简化了基矢的选择和测量过程。不仅如此,参与编码的复合量子态都具有相同的模式数,可以保持更好的相干性,使传输更稳定,在理论上可以达到GHz的传输效率。

同时,实验设备的不断发展进步也会使MPUB具有更大的应用前景:柱状透镜的高速切换一旦实现,基于MPUB的高维量子密钥分配系统的复杂性将极大降低,与二维系统相同, 从而实现以低维系统的系统成本达到高维系统的传输效率。

该研究成果近期发表在国际物理权威期刊Physical Review A上,王小力教授的博士生王傅民为该论文的第一作者,张沛教授为通讯作者,西安交通大学为本文第一通讯作者单位。该项成果是理学院量子信息研究组在量子信息编码方面的一项重要突破。课题组通过与清华大学交叉信息学院马雄峰教授课题组,美国罗切斯特大学Robert. W Boyd教授课题组合作,这种新型高维量子态在编码方面的安全性和在自由空间中的传输稳定性都得到了严格证明和分析。相信在不久的将来,这项工作将会成为高维量子密钥分配方面的主流选择。

该项研究得到国家自然科学基金面上项目等的资助。

论文链接为:https://journals.aps.org/pra/abstract/10.1103/PhysRevA.101.032340

2020-04-01
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