优化的量子指纹识别技术

Fingerprinting is an important part of classic information theory. In order to let.Referee to determine whether Alice and Bob has the same information, Alice and Bob.only need to send a short ”fingerprint” data to Referee. The theory shows that the quantum fingerprinting using qubits has an exponential advantages on transmitted information over classical method, which mainly benefits from quantum superposition. We have finished the proof-of-principle experiment of quantum fingerprinting, demonstrate that the transmitted information of quantum fingerprinting can be lower than classical limit. However, in this scheme, the signal light travels twice in the fibers from Alice and Bob to Referee, for an automatic compensation of phase. It wastes the time and channel resource. We plan to develop an optimized quantum fingerprinting protocol, which use an independent channel to do phase stabilization and compensation. This channel can also be used in other occasions, such as MDIQKD, and so on. So the setup of quantum fingerprinting itself can be greatly simplified, and do not require the signal light to travel twice in fibers. The optimized protocol also simplify the system timing sequence, which means a higher system frequency can be achieved.

指纹识别是经典信息论中的一个重要内容，为了让 Referee 判断出Alice和Bob双方的信息是否相同，Alice和Bob只需发送一小段“指纹”数据给Referee。理论表明，利用量子态的相干叠加原理，使用qubit进行量子指纹比对，其需要的信息量相对经典方法有指数量级的优势。我们已经进行过远距离量子指纹比对的演示实验，成功实现了所需信息量低于经典理论的极限，体现了量子方案的优越性。然而，该方案中为了实现相位的自补偿，光在Alice到Referee和Bob到Referee这两段光纤中各走了两次，造成了时间和信道等占用资源上的浪费。我们计划优化量子指纹识别的方案，将相位稳定与补偿的而需求分离出来，单独使用一条信道。该信道还可以复用于其它场合，如MDIQKD等。因此指纹识别的实验装置可以被大大简化，并且不需要信号光多次往返于链路光纤中。该方案同时简化了系统时序，有利于增大系统重复频率。

时间是目前测量最精确的基本物理量，其它国际单位制的基本物理量（除物质的量外）均通过物理常数溯源至时间。对时间进行飞秒量级的测量，等价于对常用的可见与近红外激光进行相位级别的操控，长时间的稳定干涉可以在量子指纹比对、双场量子密钥分发等量子信息的领域发挥重要作用。另一方面，高精度的时间比对系统可以用于比对目前世界上最高精度的光钟，实现下一代秒定义，以及检验引力红移等基础物理理论。.本项目首先实现实验室内长距离的光纤时频同步。原计划在此基础上实现量子指纹比对，后由于组内工作调整，变为基于此技术实现长距离的双场量子密钥分发。最后，为了实现空地一体化的时频比对网络，我们研究了在自由空间中进行高精度时频比对的方案，并选择了基于光频梳的时频传递的技术路线，演示了在自由空间中进行飞秒量级时间比对的能力。.在实验室内，我们首先搭建了176km的光纤时频传递的演示系统，使用修正艾伦偏差计量的相对稳定度达到了万秒E-20量级。我们进一步将系统的距离拓展到300km，实现相距300km的两个独立激光器的相位同步，并实现了双场量子密钥分发，每脉冲成码率为1.96E-6，超过了当时大家认为的无中继量子密钥分发的成码率极限（8.64E-7）。我们在升级系统后，利用超低损耗的光纤，将成码距离进一步提高到了509km。这些工作为下一代远距离的量子密钥分发系统打下了基础。.为了支持远距离或者洲际的光频标比对，我们调研了实现空间时频比对的几种方式，最后选择了光频梳这一大模糊程、能够克服大气闪烁、同时能保持高精度的技术路线。利用反射镜，我们在上海搭建了8km的折返链路，有效大气距离为16km。为了模拟星地链路的高损耗，我们通过人为增加衰减的方式，将链路衰减提高到72dB。在这个衰减下，线性光学采样的探测方式可以实现60飞秒的单次测量精度。该实验在3000秒的积分时间下实现时间比对稳定度4E-18。好于现有的微波时频传递链路两个量级以上。