[论文解读] Fiber based high-dimensional quantum communication with twisted photons

Daniele Cozzolino, Davide Bacco+9 more|arXiv (Cornell University)|Mar 27, 2018

Orbital Angular Momentum in Optics参考文献 31被引用 5

一句话总结

本论文首次在1.2公里长的光纤中实现了利用光子在四个轨道角动量（OAM）模式下的高维（Hi-D）量子态实验传输。该工作通过实时诱骗态协议，在基于OAM的量子密钥分发（QKD）中实现了迄今为止最高的保密密钥速率和最长的传输距离。

ABSTRACT

Quantum communication (QC) concerns the faithful transmission of quantum states between separated parties, and represents a key enabler for many quantum applications, ranging from quantum key distribution (QKD) to distributed quantum computing. However, low information rates and short propagation distances, due to high channel losses and perturbations of the quantum states, limit the development of this field and its practical applications. High-dimensional (Hi-D) quantum communication can address these challenges by adding more information per photon, directly enhancing the information rate and the system's error tolerance. We transmit Hi-D quantum states using photons prepared in four orbital angular momentum (OAM) modes in a 1.2 km long OAM-carrying fiber. This is the first experimental demonstration of Hi-D quantum states transmission using the OAM basis over an optical fiber. Furthermore, we successfully implement a real-time decoy-state Hi-D QKD protocol, and demonstrate the highest secret key rate and longest transmission distance of OAM-QKD presented to date.

研究动机与目标

• 解决因信道损耗和态扰动导致的低信息速率与短传输距离问题。
• 通过利用高维量子态提升量子通信的信息容量与抗错能力。
• 展示在光纤中传输编码于轨道角动量（OAM）模式的高维量子态的可行性。
• 在基于光纤的系统中实现高维量子密钥分发（Hi-D QKD）的实时诱骗态协议。
• 在迄今为止基于OAM的QKD中实现最高的保密密钥速率与最长的传输距离。

提出的方法

• 通过将量子信息编码于光子的四个不同轨道角动量（OAM）模式，构建高维量子态。
• 将这些OAM编码态通过一根1.2公里长、可保持OAM模式特性的光纤进行传输。
• 实施实时诱骗态协议，以增强安全性并减轻在高维QKD中因多光子数导致的攻击。
• 采用主动态制备与测量技术，以在传输过程中保持高保真度与相干性。
• 使用单光子探测器与模态选择性测量系统，高精度地区分四个OAM模式。
• 通过最小化损耗并最大化模态分辨可见度，优化系统以实现高保密密钥速率。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在1.2公里光纤中成功传输编码于轨道角动量（OAM）模式的高维量子态？
• RQ2 在基于光纤的OAM-QKD系统中，采用实时诱骗态协议可实现的最大保密密钥速率是多少？
• RQ3 在光纤环境中，基于OAM的量子密钥分发已实现的最长传输距离是多少？
• RQ4 高维编码在光纤量子通信中如何提升信息速率与抗错能力？
• RQ5 实时诱骗态协议能否在长距离光纤中的高维OAM-QKD系统中有效实施？

主要发现

• 首次成功实现了在1.2公里光纤中利用轨道角动量（OAM）模式传输高维量子态的实验演示。
• 该系统在基于光纤的OAM-QKD中实现了迄今为止报告的最高保密密钥速率。
• 1.2公里的传输距离是迄今为止在光纤环境中实现的OAM-QKD最长距离。
• 实时诱骗态协议显著提升了安全性，并在真实信道条件下实现了高保真度密钥生成。
• OAM模态分辨的保真度保持在高水平，证实了OAM态在长距离量子通信中的可行性。
• 结果表明，OAM模式中的高维编码可有效提升光纤量子通信系统的信息容量与抗干扰能力。