自由空间MIMO量子密钥分发技术研究

量子通信是经典信息论和量子力学相结合的一个新兴交叉领域，它具有广泛的应用前景。但量子通信在单元技术和理论方面还有许多需要解决的问题，世界各技术领先国家都高度重视该领域的研究。量子密钥分发是量子通信的主要实现方式，但目前量子密钥分发所面临的最主要的问题是如何实现远距离、高效率量子密钥传输。本项目基于MIMO技术和BB84协议构建多个并行单光子脉冲的自由空间量子密钥分发系统，研究能实现自由空间远距离、高效率的量子密钥传输的关键技术，主要内容包括：自由空间MIMO量子密钥分发的信道均衡研究，自由空间MIMO量子密钥分发信道容量研究，自由空间MIMO量子密钥分发信道编码研究等。本项目构建的系统具有密钥分发效率高和单光子安全性好等特点，能实现远距离、高效率量子密钥传输，其研究成果将为开发稳健的MIMO量子通信空时处理算法和优化设计高性能MIMO量子通信系统提供理论支撑和技术

量子密钥分发是量子通信的主要实现方式，本项目研究能实现自由空间远距离、高效率的量子密钥传输的关键技术。主要内容包括：.1）通过构造出MIMO量子密钥分发信道中多光子纠缠态Wigner算符，推导出多光子双模压缩纠缠态Wigner函数和MIMO量子密钥分发信道容量。2）量子场本身不可避免地存在量子噪声约束容量的增长，限制可利用空间资源，即空间自由度。采用光子场的量子化和满足Schrödinger方程条件的电磁场波动方程推导出MIMO量子信道的空间自由度上限。3）运用群的理论及稳定子码的基本原理构造出新的CSS型量子卷积码稳定子码生成元，并描述了其编码网络。利用量子置换SWAP门定义推导出量子Turbo乘积码的交织编码矩阵。推导出量子Turbo乘积码的译码迹距离与经典Turbo乘积码的译码距离的对应关系，并提出量子Turbo乘积码的编译码实现方案。这种编译码方法具有高度结构化，设计思路简单，网络易于实施的特点。4）我们采用动力学解耦的方法驱动MIMO光量子实现无相消干子空间。在MIMO量子去极化信道中，采用Concurrence 来度量纯态的纠缠，借鉴两光子纠缠态Von Neumann熵和Holevo边界，得到MIMO量子去极化信道密钥分发信道容量。5）针对量子密钥分发的低比特率不足，通过在经典信道中采用时分复用技术，提出了MIMO量子纠缠交换的传输方式，并扩展Ekert91协议进行量子密钥分发的算符变换。6）在量子信息处理中，Bell基对测量量子纠缠态来说具有根本的重要性。利用幺正变换方法将Pauli门串联到Bell基的量子电路中的Hadamard门后，从理论上发现了Hilbert空间中的3个新广义Bell基。利用初等变换方法得到了这些Bell基之间幺正变换的等价关系规律，并通过隐形传态实例中验证了这些Bell基。7）通过时分复用经典信道，利用隐形传态提出了一种四Bell基MIMO量子密钥分发方法。该方法降低了窃听者成功窃取未知量子态的概率，增强了量子信道的安全性，减少了达到相同保密性目标所需量子密钥分发收发的比特数。.本项目研究成果将为开发稳健的MIMO 量子通信空时处理算法和优化设计高性能MIMO 量子量子通信系统提供理论支撑和技术。