基于超纠缠态的长距离光纤传送量子保密鬼像

Based on the previous works of the applicant on the telecom band fiber based quantum light sources, this project proposes a scheme of long distance quantum ghost imaging over optical fibers based on the entanglement transform of the energy-time entangled two photon states. Furthermore, a scheme of long distance quantum secure ghost imaging over optical fibers based on the hyper-entangled states is proposed, in which the entanglements on the two freedoms of the hyper-entangled state are used to realize the quantum information functions of ghost imaging and quantum key distribution, respectively. The researches of this project include: 1) realizing the generations of telecom band energy-time entangled states and hyper-entangled states in optical fibers and investigating their transmission properties over optical fibers. 2) realizing the long distance quantum ghost imaging over optical fibers based on telecom band energy-time entangled state. 3) realizing the long distance quantum secure ghost imaging scheme based on the telecom band hyper-entangled state. This project explores novel quantum information applications utilizing the transform and multiplexing of the entanglements in the hyper-entangled state. It develops a type of quantum secure direct communication with great potential on quantum engineering, since it based on the mature techniques developed for optical fiber communications.

本项目面向量子工程应用的拓展，基于申请者在光纤通信波段光纤基量子光源上的先期工作，提出通过时间能量纠缠自由度的转换，实现可通过光纤长距离传送的量子鬼像。进而通过引入超纠缠量子态，在两纠缠自由度上分别实现量子鬼像与量子密钥分配功能，实现一种可以通过光纤长距离传送的量子保密鬼像。研究内容包括：1）光纤中时间能量纠缠和超纠缠双光子态的产生和光纤传送；2）基于光纤通信波段时间能量纠缠双光子态的量子鬼像；3）基于光纤通信波段超纠缠双光子态的量子保密鬼像。研究内容利用超纠缠量子态纠缠自由度的转换与复用探索新的量子信息应用，其实质是发展一种量子保密的直接通信技术。采用的技术路线基于成熟光纤通信技术，具有发展实用化量子工程应用的良好前景。

本项目面向纠缠双光子态在量子通信中的应用，提出通过时间能量纠缠自由度的转换，实现可通过光纤长距离传送的量子鬼像。进而通过引入量子密钥分发的安全检测机制，实现一种可以通过光纤长距离传送的量子保密鬼像。项目工作开展以来，我们根据工作进展对原有研究内容进行了充实和调整，全面开展了研究工作，取得的主要成果如下：1）发展新型光通信波段量子光源。用硅波导量子光源实现了带宽大于15nm的宽带频率关联量子态产生；利用硅微环腔实现了频率和时间能量超纠缠的产生；利用硅波导产生的宽谱时间能量纠缠光子对配合任意谱型可调的滤波器件，实现了频谱可调的频率纠缠双光子频梳。利用光纤中的自发四波混频配合辅助光路实现了光纤中偏振纠缠Bell态的产生，并实现了Bell态的光纤传送和测量。首次在光纤中实验论证了三阶非线性波导中单光子受激四波混频现象。2）提出并实验论证光纤传送时域量子鬼像方案。我们利用硅波导量子光源实验论证了本项目提出的时域量子鬼像的原理，光纤送距离达到50km。进而对时域量子鬼像的实验系统进行了自动化升级，实现了基于量子鬼像的信息光纤传送功能。在此基础上，把光纤长距离时域鬼像的概念拓展到热光源实现。3）提出并实验论证了量子安全鬼像方案。分别基于时间能量纠缠双光子态的Franson干涉和基于色散光学的安全检测机制提出量子安全鬼像方案和协议并实现了实验论证，光纤传输距离达到50km。4）纠缠光量子态的其他量子通信应用探索。我们首次实现了纠缠基量子安全直接通信的光纤传送，距离达到500米；采用光纤量子光源实现了器件无关的经典和量子熵测量实验；利用硅波导量子光源实现了基于时间能量纠缠的大字母表高维的色散光学量子密钥分发，光纤传输距离达到20km，安全成码率达到100kbps以上。研究工作累计发表SCI收录期刊论文14篇，申请发明专利2项。项目执行期间在国际会议做邀请报告8次介绍研究成果，引起了广泛的学术关注。