多自由度高品质高维量子密钥分发原理验证系统

The security of quantum key distribution (QKD) is guaranteed by the fundamental principles of quantum mechanics and is independent on computational complexity. Thus, QKD will play an important role in the next generation of secure information technologies. In the two-dimensional QKD system, only one-bit information can be loaded on the quantum state, which leads to a relatively low secrete key rate and limits the application of QKD. High-dimensional (HD) QKD can increase the secrete key rate significantly as the HDQKD encodes information on HD quantum states. Furthermore, HDQKD can tolerate higher quantum bit error rate (QBER) and is more robust. Most existed HDQKD systems are either with higher QBER or not be able to run with high frequency. These disadvantages limit the application of HDQKD. In this project, we will utilize polarization, time frequency and orbital angular moment (OAM) of the photon to realize HD encoding. We will realize high-precision preparation and measurement of HD quantum states by mapping quantum states between degrees of freedom. Finally, we will realize a proof-of-principle high-quality HDQKD systems with high-speed capability. The HDQKD system will be compatible with two-dimensional QKD systems of different degrees of freedom. Our project will pave the way for the practical application of HDQKD.

量子密钥分发（QKD）基于量子力学基本原理，其安全性与数学复杂度无关，因此在下一代信息安全技术体系中具有重要价值。在传统的二维QKD系统中，单个量子态最多加载1比特信息，极大地限制了QKD的安全密钥率。高维QKD系统利用高维量子态进行编码，因此单个量子态可以加载多比特信息，能大幅提升QKD系统的安全密钥率。高维QKD的另一个优势是具有更高的误码率容忍上限，具有更强的抗干扰能力。现有的高维QKD系统普遍存在误码率高或者无法实现高速调制等缺点，限制了高维QKD的应用。本项目将利用光子态的偏振、时间频率和轨道角动量（OAM）等多个自由度进行联合编码，结合不同自由度相互映射的高维量子态高精度制备测量方法，实现具有高速运行能力的高品质的高维QKD原理验证系统。同时该高维QKD系统将兼容多个自由度的二维QKD系统，为高维QKD系统的组网和实用化打下坚实基础。

量子密钥分发（quantum key distribution, QKD）和量子网络利用量子力学基本原理可以在不同用户间实现信息的安全分发。QKD给用户提供了一种信息论安全的私密通信方式，在下一代量子安全通信网络中扮演着重要作用。通常情况下，QKD系统都基于二维（2D）量子态系统实现编解码和信息传输，例如偏振编码、时间戳-相位编码等。这些编码体系已经被大规模应用于量子通信系统及网络中。然而，2D-QKD系统面临安全码率较低、对系统误码率敏感等技术难题，且不同编码体系等系统和网络难以兼容。这些挑战导致QKD的部署成本居高不下，严重限制了其实用化推广。高维QKD（HD-QKD）利用光子态的高维空间进行编解码，能有效利用单个光子实现多比特信息传输，从而显著提高系统的安全码率带宽。同时，HD-QKD能容忍更高的系统误码率，适应更复杂的信道环境，能有效拓展QKD的应用场景、提升其实用化价值。本项目利用光场调控技术，实现光子态的多自由度联合调控，在偏振、时域、空间模式等多个自由度实现了量子态的高保真度制备、传输和测量，1）实现了超低误码率的8D-QKD系统，该系统能分别兼容偏振编码、时间-相位编码、空间编码的QKD终端，演示验证了可组合高维量子网络的可行性，为实现低成本、高性能、多体系-多维度兼容的高维量子通信网络完成了重要技术积累；2）实现了高品质的HD-QKD系统，在25公里换芯光纤信道验证了HD-QKD的可行性；3）基于光场的高维空间模式调控进行优化补偿，在强散射、高损耗的复杂自由空间信道中建立了安全的量子链路，为复杂信道条件下QKD的应用奠定了基础；4）对光子的时频自由度进行关联调控，提出并实现了利用关联成像技术对量子黑客攻击行为进行感知和防御，增强了QKD系统的现实安全性。