基于调制纠缠态的远程连续变量量子密钥分发研究

Quantum communication is an important branch of future communication technology. It provides a new way for the secure transmission of information and the improvement of information transmission capacity, and can break through the limit of classical communication system. Continuous variable quantum information processing based on quadratures of quantized electromagnetic modes has unique advantages and has become an important reseach direction in the field of quantum information science. During the process of continuous variable quantum key distribution (CVQKD), excess noises will be introduced inevitably by the quantum channel, etc. It has been shown that even if the presence of very weak excess noise will cause the degradation of the transmission distance and secure key rate greatly. Therefore, the main issue faced by a practical long-distance CVQKD is that how to overcome the limit of excess noise. In this project, we will carry on the experimental and theoretical study of a long-distance modulated entangled state CVQKD system consisting of standard fiber optics and telecommunication components under relatively high channel noise environment. We will investigate the unconditional security of the discrete-modulation squeezed state protocol and other new protocols and demonstrate them in experiment, and a long-distance CVQKD above 50-kilometer in relatively high excess noise enviroment will be achieved. The proposed project will effectively solve the key science and technology issues of the practical long-distance CVQKD in high excess noise optical communication environment, and will play an important role in the field of practical quantum communication.

量子通信是未来通信技术的重要发展方向，在保护信息安全、提升信息传输容量等方面能够突破经典通信的极限。基于量子化光频电磁场正交分量的连续变量量子信息处理具有独特的优势和潜力，已成为量子信息科学领域的重要研究方向。在连续变量量子密钥分发（CVQKD）过程中，量子通道等会不可避免地引入额外噪声，研究表明，即使微弱的额外噪声的存在也会对CVQKD的传输距离和安全密钥速率造成极大程度的制约。因此，如何有效克服额外噪声的不利影响，是远程CVQKD实用化进程中面临的核心问题。本项目拟开展较高额外噪声环境下基于光纤通信器件的调制纠缠态CVQKD的实验和理论研究，探索分离调制压缩态等新协议的无条件安全性并结合实验进行验证，在较高额外噪声环境下实现50公里以上传输距离的安全密钥分发。本项目的实施将有效解决较高额外噪声环境下远程CVQKD 面临的关键科学与技术问题，对于远程量子通信的实用化等具有重要意义。

量子通信是未来通信技术的重要发展方向，在保护信息安全、提升信息传输容量等方面能够突破经典通信的极限。基于量子化光频电磁场正交分量的连续变量量子信息处理具有独特的优势和潜力，已成为量子信息科学领域的重要研究方向。在连续变量量子密钥分发（CVQKD）过程中，量子通道等会不可避免地引入额外噪声，研究表明，即使微弱的额外噪声的存在也会对CVQKD 的传输距离和安全密钥速率造成极大程度的制约。因此，如何有效克服额外噪声的不利影响，从而扩展安全传输距离和密钥率是远程CVQKD 实用化进程中面临的核心问题。针对该问题，本项目对基于光纤通信器件的调制纠缠态CVQKD的原理和关键技术进行了深入的理论和实验研究，在此基础上实验实现了较高额外噪声环境下的50公里光纤纠缠态连续变量量子密钥分发，主要研究内容包括：高品质光通信波段连续变量纠缠态的制备；纠缠光场的高效相干高斯调制；非完美量子态制备对CVQKD的影响机制及解决方法；单模光纤去激化声波导布里渊散射对CVQKD额外噪声的影响机制；非理想探测情况下反向协调纠缠态CVQKD的安全密钥率计算；高效实时数据后处理技术的研究；纠缠态连续变量量子密钥分发在长距离光纤上的实验实现；一维调制CVQKD的实验实现及有限码长情形下的安全性分析；CVQKD原型样机研制。本项目的实施有效解决了较高额外噪声环境下远程CVQKD 面临的关键科学与技术问题，对于远程量子通信的实用化等具有重要意义。