本技术介绍了一种基于轨道角动量编码的高维量子密钥分发性能优化方法。该方法采用拉盖尔-高斯模态作为正交模态基集,通过提取OAM光束的特征参数,实现对量子密钥分发性能的准确估计。
背景技术
在全球量子互联网宏伟愿景驱动下,实现远距离、高码率、全天候的量子通信成为了量子信息领域研究热点,引领和推动着量子信息技术迅速发展。量子密钥分发(QuantumKey Distribution,QKD)依靠单光子的量子特性进行信息的编解码、传输、接收以及后处理过程,能够在通信双方之间产生理论上不可窃听、不可篡改的安全密钥。目前大多数量子通信方面的研究都是基于光子的偏振态或者相位编码实现的二维量子系统,尽管这些系统在量子比特操控上具有显著优势,但由于希尔伯特空间的有界性,信息容量始终被限制在1比特/光子。为打破系统的信息熵阈值,高维量子密钥分发(High Dimensional Quantum KeyDistribution,HD-QKD)提供了可行思路并在理论和实验方面迅猛发展,其中,利用光子横向自由度—轨道角动量(Orbital Angular Momentum,OAM)进行高维量子态编码为改善自由空间量子通信系统传输性能提供了优势:
1)利用单量子系统下无限维希尔伯特空间的编码优势提升编码光子态的传输效率和保真度,增强了量子通信系统的抗噪声能力和单位时间通信带宽;
2)结合涡旋光场旋转不变特性,有效避免了地空场景参考系对准难题,为基于高速机动空中平台构建高速、稳定的移动量子通信网络提供新的编码方案。
基于典型航空信道环境特征和光量子操控技术研究取得的成果,科研人员从不同视角对自由空间HD-QKD开展了理论和实验探索。研究表明,该工作尚处于起步阶段,在光学衍射极限、通信距离极限、光电探测极限条件下,大气湍流造成OAM量子态退化程度非线性叠加,大气环境下的指向误差和湍流效应放大了OAM量子态的接收效率差异,导致探测效率失配和系统安全漏洞,最终影响OAM-QKD的安全密钥生成。
基于上述问题,亟需一种能够实现对指向误差和湍流效应下OAM量子态接收效率差异进行计算,从而实现高维量子密钥分发性能精准估计的模式依赖效应下OAM编码的高维量子密钥分发性能估计方法。
实现思路