联合噪声条件下的量子通信和网络研究

本项目将对联合噪声条件下的量子通信和量子通信网络及其涉及到的相关问题展开研究。针对不同形式的信道噪声，选择光子的极化、相位、频率、横模等自由度编码信息，提出相应的抑制噪声的光量子态保真传输新方法，力求达到高效经济、在现有实验条件下容易实现的目标；研究噪声环境下安全量子通信的实现过程，重点讨论信道噪声和避错方案的选取对通信成功率和安全性的影响；研究基于原子腔存储的光量子避错传输方案，在此基础上研究噪声情况下的量子通信网络物理模型，抑制不诚实的服务器和潜在的窃听者利用噪声掩饰窃听的行为。通过本项目的研究，争取得到一些在不同噪声形式下经济实用的量子态传输和安全的量子通信方案，对量子通信的网络化、实用化进程有所帮助。

量子通信是以量子态为载体、利用量子力学的基本原理保障通信安全的一门新兴学科。量子通信研究的最终目标是服务于我们的生产生活。早期的量子通信研究侧重于理想条件下理论模型的建立。近年来，随着实验条件的改善，研究者们更加关注实际噪声条件下的量子通信研究。在量子通信的众多物理实体中，光子由于其传输快速、容易操控、与环境耦合相对较弱等优点，一直被视为理想的信息载体。光子的极化和相位自由度也在量子通信实验中被广泛使用。实验发现，光子的不同自由度在传输过程中都会与环境发生耦合，从而影响通信过程的效率和安全性。本项目主要研究噪声条件下的基于光量子态的量子通信过程。光子除了极化和相位等常规自由度等，其时间、路径、频率、模式等自由度也可以用于加载信息，这些自由度在信息的操控、抗噪、传输、测量等方面各具优势。我们调研了光子不同自由度的特征，首先研究了在远距离通信双方之间共享纠缠态的方法，提出了一步实现的纠缠纯化方案、基于频率自由度辅助的纠缠分发方案和基于路径自由度辅助的纠缠分发方案。量子纠缠态是量子通信的重要资源，我们的研究成果作为量子通信的必要过程，在基于纠缠态的量子通信方案中都有良好的应用前景。随后我们调研了近几年新兴的纠缠资源—量子超纠缠态，即同时在不同自由度上纠缠的量子态。我们讨论了超纠缠态的区分问题，并提出了两种不同的超纠缠态浓缩方案，使远距离的通信双方可以保真地共享超纠缠态，从而用于后续的量子通信过程。此外我们还提出了无需对准基矢的量子密钥分配方案。一方面理论上通信双方对准基矢的过程需要无限的资源，因此我们的方案可以大大节约资源，提高通信效率。另一方面，没有对准的基矢可以看作信道噪声，我们的方案可以用于对抗此种形式的噪声。总的来说，我们的方案给出了在实际的噪声环境下实现高效保真的量子通信过程的方法，我们相信这些方案在噪声条件下的量子通信中会有很好的应用价值，为量子通信实用化进程做出贡献。