量子无相消子空间中MIMO量子密钥分发系统的关键技术研究

Quantum secure communication is a process of quantum key distribution(QKD), multiple-input multiple-output (MIMO) quantum key distribution system can achieve the long-range, high-rate quantum key transmission capacity in free space. Such this system can enable a number of receivers to communicate simultaneously with a number of transmitter elements, which consequently increases the overall quantum key distribution bit rate. However, when a quantum system interacts with its environment, the so-called quantum decoherence effect will normally destroy the coherence in the quantum state and the entanglement between its systems, and cause quantum transmission information loss. Quantum decoherence effect has been viewed as a bottleneck of limiting system performance of MIMO quantum key distribution system, and one promising solution to this problem has been provided by the concept of quantum decoherence-free subspaces (DFS). Therefore, this proposal will focus on capacity theory research of MIMO quantum key distribution system in decoherence-free subspaces. The main research contents are described as follows. First, we investigate stabilizer codes theory and generate the corresponding logical operators, and propose new encoding and decoding construction method that can overcome decoherence in order to establish DFS of quantum key distribution system. Second, we study diversity and multiplexing transmission mechanism of DFS-MIMO quantum key distribution system, and solve signal synchronization problem. Third, we extend quantum key distribution protocol, generate Krause operators and reduced density matrix, and carry out capacity theory reseach of DFS-MIMO quantum key distribution system. These researches will provide theoretical support for information system security and high-speed data transmission technology.

将多输入多输出(MIMO)技术应用于量子密钥分发系统，在自由空间中理论上能实现远距离、高速大容量信息安全传输。然而，量子系统与实际环境相互作用导致量子消相干，严重影响量子密钥分发过程中的信息处理，导致大量信息传输丢失。现有研究表明，量子消相干已成为限制MIMO量子密钥分发系统性能的瓶颈，且量子无消相干子空间(DFS)又是解决消相干问题的一条重要途径。因此，本项目拟开展DFS-MIMO量子密钥分发系统的关键技术研究，具体包括：1)研究稳定子码理论及其相应的逻辑操作算子，提出量子编译码新型构造方法，克服消相干构建DFS。2)开展DFS-MIMO量子密钥分发系统分集与复用技术的研究，解决MIMO量子密钥分发中信号同步问题。3)扩展量子密钥分发协议，生成Krause算符和约化密度矩阵，研究DFS-MIMO量子密钥分发系统容量。本项目的研究成果可为量子信息系统安全及高速数据传输技术提供理论支撑。

量子消相干已成为限制MIMO量子密钥分发系统性能的瓶颈，且量子无消相干子空间(DFS)又是解决消相干问题的一条重要途径。本项目开展DFS-MIMO量子密钥分发系统的关键技术研究，研究内容、重要结果、关键数据及其科学意义主要体现在：1)研究稳定子码理论及其相应的逻辑操作算子，提出了量子编译码新型构造方法，克服消相干并构造出量子避错码，并且DFS基态任意线性组合可实现量子避错码设计。2)运用群的理论及稳定子码的基本原理构造出了新型CSS量子卷积码稳定子码生成元，并采用量子置换SWAP门定义推导出量子Turbo码的交织编码矩阵，实现了这类码的编译码方法，并描述了其编译码网络。这种多进制稀疏图的空时编码优化准则可解决编解码复杂度与计算资源有限之间的矛盾。3)提出了基于正交态的子载波复用的DFS-MIMO量子密钥分发技术，解决了MIMO量子密钥分发中信号同步问题。4)研究了基于相位差极化编码的副载波复用量子密钥分发方案，克服量了子远距离传输的密钥分发的消相干，提高了系统安全性。这种利用相位调制偏振态的方法，对光子的偏振态进行编码，可以随机地制备各种非正交偏振态的光子，也可随机地产生各种非正交偏振态的测量基。5)扩展了量子密钥分发协议，生成了Krause算符和约化密度矩阵，并研究出DFS-MIMO量子密钥分发系统容量。消除了非理想BB84协议的单光子补偿方案,可以采用更加鲁棒、实用性的抗界面非幺正噪声的双光子编码方案。6)基于量子纠错编码/避错码，扩展单光子/多光子纠缠量子密钥分发协议，判别窃听的安全门限，减少量子密钥分发的过程中供窃听者造成信息传输安全性遭到破坏，为准确判断其它扩展协议的安全性提供依据。7)针对基于Hadamard门群的代数运算依赖于的Pauli门选择的问题，提出了基于Pauli门群的多Bell基并行量子密钥分发方案。增大了窃听者成功窃听量子密钥的难度，减少了被窃听的并行量子信道数。