從中科院量子信息重點實驗室獲悉，郭光燦院士團(tuán)隊，日前在高維量子密碼領(lǐng)域的研究中取得新進(jìn)展：該團(tuán)隊韓正甫研究組利用量子態(tài)的不同自由度之間的映射方法，設(shè)計并實驗驗證了一種保真度和穩(wěn)定性極佳的高維量子密鑰分發(fā)方案。該研究成果已于2月27日發(fā)表在國際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊Physical Review Applied上。

高維量子密鑰分發(fā)利用高維量子態(tài)編碼，可以在單個量子態(tài)上加載多于1比特的經(jīng)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(fā)可容忍更高的系統(tǒng)誤碼率，因此具有更強的抗噪能力。但與BB84協(xié)議等常用的二維量子態(tài)編解碼技術(shù)相比，實現(xiàn)光子軌道角動量等高維量子態(tài)的高保真、高速率編解碼的難度極大。因此，現(xiàn)有的高維量子密鑰分發(fā)技術(shù)仍停留在原理驗證階段。制約該技術(shù)實用化發(fā)展的核心問題是高維量子態(tài)的制備、傳輸和測量。

高維量子密鑰分發(fā)制備的高維光子態(tài)示意圖

量子密碼組陳巍、銀振強等人基于光子的偏振—軌道角動量不可分離態(tài)，提出了偏振和軌道角動量雙自由度之間的態(tài)映射方法和實現(xiàn)方案，進(jìn)而實現(xiàn)了對高維量子態(tài)的高精度制備和測量。該方案在操控光子偏振態(tài)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(tài)，從而實現(xiàn)高保真度的信息加載和提取。與現(xiàn)有技術(shù)相比，該方案的最大優(yōu)勢在于編解碼過程不需要進(jìn)行光子態(tài)的干涉操控，因而具有很低的本底誤碼率和極佳的穩(wěn)定性。

結(jié)果顯示，基于該方法實現(xiàn)的高維量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)的平均誤碼率，僅為0.60%±0.06%，利用弱相干光源實現(xiàn)了1.849比特/脈沖（理論極限為2比特/脈沖）的高篩后安全密鑰率。并且，由于系統(tǒng)只需操控光子的偏振態(tài)，有望實現(xiàn)與二維量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)相同的高工作速率，因此具有很好的應(yīng)用潛力。

該研究工作為解決高維量子密鑰分發(fā)的態(tài)制備和態(tài)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(fā)技術(shù)的實用化起到了積極的推動作用。