利用单光子实现高维量子密钥分发

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引言
+ d$ d( O: A! B4 U4 X量子密钥分发(QKD)通过量子力学原理实现无法破解的加密，已发展成为安全通信的关键技术。传统QKD协议依赖二维量子比特，而高维量子密钥分发(HDQKD)的出现为信息容量和安全性带来显著提升[1]。

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" Q7 e% X# R/ T图1：HDQKD系统的完整展示，包括(a)实验装置的概念图，(b)详细的系统示意图，(c)发射寿命测量结果，以及(d)证实单光子特性的二阶关联测量。
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高维编码的优势
HDQKD利用维度大于二(d>2)的量子系统对每个光子编码更多信息。这种方法不仅提高了安全密钥率，还增强了协议对错误的抵抗能力。在这项研究中，科学家们利用来自单个胶体巨型量子点(gQD)的光子轨道角动量(OAM)，在室温下实现了HDQKD。

光的轨道角动量为编码高维量子态提供了天然基础。每个OAM模式携带特定的角动量值，并与其他模式正交，非常适合量子通信协议。
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0 x, `! T9 Z1 S. M4 [图2：空间模式的矩阵表示，展示了利用轨道角动量实现d=3维量子态的编码和解码过程。
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9 r/ H/ V+ D  A  S技术实现
实验装置主要包含两个部分：作为光子源的单个胶体巨型量子点和用于编码解码信息的空间光调制器(SLM)。系统使用两个互不偏倚基(MUB)运行，每个基包含三个状态，实现d=3维编码。
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( z8 Q( q( ~! K该协议的安全密钥分发过程始于脉冲激光激发gQD发射单光子。随后，第一个SLM(Alice)使用OAM态编码信息，编码后的光子通过自由空间传输到接收端。在接收端，第二个SLM(Bob)解码信息，最后由单光子探测器完成测量。

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图3：实验结果显示(a)不同编码-解码组合的归一化探测计数，(b)探测概率的数值，以及(c)安全密钥率分析，证明相比传统QKD具有优越性能。

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性能和安全性分析
系统展现出显著的性能指标。第一基底(MUB1)的比特错误率为3.6% ± 1.6%，第二基底(MUB2)为4.0% ± 0.8%。每光子安全密钥率达到1.0 ± 0.1比特，超过传统二维QKD。系统最大容许噪声提升至15.8%，相比传统系统的11%有显著提高。在匹配基底条件下，投影效率接近完美，达到96.2% ± 1.3%。
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: Q2 W1 W0 }& O. ]高维编码不仅提高了信息容量，还增强了对窃听企图的防护能力。系统在室温下使用单量子点源的能力代表了实用量子通信系统的重大进展。

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' a; h$ [  u6 x4 r+ B8 V, ?$ a( n未来发展和应用
演示的HDQKD系统为未来量子通信网络提供了新方向。室温量子点与高维编码的结合为安全量子通信提供了可扩展方案。通过集成纳米天线可以提高光子收集效率，实现更快的编码和解码方案将提升系统性能，开发更高效的光子探测器能够增强可靠性，而扩展到更高维度则可以进一步增加信息容量。

参考文献
[1] D. Halevi, B. Lubotzky, K. Sulimany, E. G. Bowes, J. A. Hollingsworth, Y. Bromberg, and R. Rapaport, "High-dimensional quantum key distribution using orbital angular momentum of single photons from a colloidal quantum dot at room temperature," Optica Quantum, vol. 2, no. 5, pp. 351-357, Oct. 2024.
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