新突破！西安交大用新型复合编码实现高维量子密钥分配

4月1日，记者据西安交通大学获悉，该校理学院量子信息研究组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，首次提出使用光子轨道角动量与径向模式的特殊复合量子态基矢，进行高维量子信息的发送和接收。这在量子信息编码方面是一项重要突破，研究成果近日发表在国际物理权威期刊《Physical Review A 》上。

量子密钥分配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, 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，因而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作用。

近年来，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。

在西安交大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2年探索，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，进行高维量子信息的发送和接收。

王博民介绍，MPUB中的量子态结构简单，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。

这项成果在量子信息编码方面是一项重要突破。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。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教授课题组的合作，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的证明和分析。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。

随着互联网的大范围普及，人类之间的信息传递达到了前所未有的数量和频率，各种隐私信息越来越多地暴露在互联网上，因此，人类对保密通信的需求也到了前所未有的高度。

互联网信息安全的加密方式称为“公开密钥”密码体系，其原理是通过加密算法，生成网络上传播的公开密钥，以及留在计算机内部的私人密钥，两个密钥必须配合使用才能实现完整的加密和解密过程。

现代互联网使用的加密标准是20世纪70年代诞生的RSA算法，即利用大数的质因子分解难以计算来保证密钥的安全性。

但是随着计算能力的不断提升，RSA的安全性受到了挑战。

1984年，物理学家Bennett和密码学家Brassard提出了基于量子力学测量原理的“量子密钥分配”BB84协议，从根本上保证了密钥的安全性。

随后经过多年的实验和技术改进，以“量子密钥分配”为核心的量子保密通信技术已经逐渐完成了实用化，并形成了一定的产业规模。

论文链接为：https://journals.aps.org/pra/abstract/10.1103/PhysRevA.101.0323