[论文解读] High-bit-rate quantum key distribution with entangled internal degrees of freedom of photons

Isaac Nape, Bienvenu Ndagano+5 more|arXiv (Cornell University)|Dec 29, 2016

Quantum Information and Cryptography被引用 7

一句话总结

本文提出一种利用光子的纠缠空间与偏振自由度的四维量子密钥分发（QKD）协议，通过静态光学元件实现所有基态的确定性探测。该方法在97%保真度下实现每光子1.63比特的密钥速率，容量-维度比为0.41，显著优于以往的高维QKD方案，在效率和密钥速率方面表现更优。

ABSTRACT

Quantum communication over long distances is integral to information security and has been demonstrated in free space and fibre with two-dimensional polarisation states of light. Although increased bit rates can be achieved using high-dimensional encoding with spatial modes of light, the efficient detection of high-dimensional states remains a challenge to realise the full benefit of the increased state space. Here we exploit the entanglement between spatial modes and polarization to realise a four-dimensional quantum key distribution (QKD) protocol. We introduce a detection scheme which employs only static elements, allowing for the detection of all basis modes in a high-dimensional space deterministically. As a result we are able to realise the full potential of our high-dimensional state space, demonstrating efficient QKD at high secure key and sift rates, with the highest capacity-to-dimension reported to date. This work opens the possibility to increase the dimensionality of the state-space indefinitely while still maintaining deterministic detection and will be invaluable for long distance 'secure and fas' data transfer.

研究动机与目标

• 为克服高维QKD中概率性模式滤波的局限性，后者会降低探测效率和密钥速率。
• 通过静态光学组件实现高维希尔伯特空间中所有基态的确定性、概率为1的探测。
• 利用非可分的矢量涡旋模——在轨道角动量和偏振上纠缠——构建四维量子态空间。
• 通过消除基于滤波的探测方案中固有的与维度相关的筛选损失，最大化安全密钥率和筛选速率。
• 展示一种可扩展的、高容量的QKD协议，适用于长距离、高带宽的安全通信。

提出的方法

• 该协议利用q-plates生成的矢量涡旋模，将轨道角动量（OAM）和偏振自由度纠缠，构建四维希尔伯特空间。
• 基于Panchanratnam-Berry相位调控和静态元件（四分之一波片、偏振光栅、模式分束器）的探测方案，可实现对所有基态的确定性测量。
• 该方案采用两种测量基：一种用于标量模态（线性至圆偏振转换后路径分离），另一种用于矢量模态（直接路径与偏振映射）。
• 通过q-plates实现的几何相位控制可精确完成态制备与变换，利用拓扑荷q = 1/2和q = 5生成互为正交的基。
• 探测系统利用模式分束器（MS1和MS2）将OAM态映射至空间位置，确保无模式滤波的全空间分辨率。
• 该方法通过同时探测所有模式避免概率性筛选，保持探测概率并最大化筛选速率。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在不使用模式滤波的情况下，利用纠缠的空间与偏振自由度实现确定性的高维QKD？
• RQ2 使用非可分矢量模的四维QKD协议中，可实现的最大秘密密钥速率是多少？
• RQ3 该方案的容量-维度比与现有高维QKD协议相比如何？
• RQ4 在高维空间中，所有基态的探测效率是否可维持在单位概率？
• RQ5 使用矢量涡旋模是否能提升自由空间量子通信中对信道噪声和湍流的鲁棒性？

主要发现

• 该协议实现了每光子1.63比特的秘密密钥速率，较以往d=4 QKD实验提升了43%。
• 探测保真度达到97%，证实了在四维希尔伯特空间中高保真度的态制备与测量。
• 0.41的容量-维度比为迄今报道的最高值，显著超过以往d=5方案的0.17和d=7方案的0.24。
• 由于采用确定性探测，筛选速率相比基于滤波的方案翻倍，消除了探测概率中的1/d损失。
• 该方案支持可扩展的高维QKD，每模式的探测概率为1，支持无限维度的扩展。
• 由于矢量与标量OAM模态具有相同的散射特性，该方法对湍流具有鲁棒性，最小化了窃听者的优势。