中國科學家在高維量子密鑰分發研究中取得新進展

觀察者網3月8日從中國科技大學獲悉，該校郭光燦院士團隊在高維量子密碼領域的研究中取得新進展：該團隊韓正甫教授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。該研究成果日前發表在《物理評論應用》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加載多於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。

圖1. 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

科研人員基於光子的偏振-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加載和提取。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。

由於該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。

論文鏈接：https://journals.aps.org/prapplied/abstract/10.1103/PhysRevApplied.11.024070