量子密鑰分配（Quantum Key distribution，QKD）是以量子力學和經典密碼學為根本，利用微觀粒子的量子屬性實現信息保護的一種新型密碼體制, 它是現階段量子信息學中最廣泛地獲得實際應用的技術。由於量子密碼提供了可證明安全性和檢測竊聽者存在與否的能力，它無疑具有非常重要的戰略意義和巨大的應用前景，並將在信息安全中發揮重要的作用。
近年來，相關方向的科研人員開始嘗試將量子信息編碼到更高維的自由度上，從而實現讓單個光子加載多個量子比特的信息。 高維量子密鑰分配的實現將顯著提高量子密鑰分配的傳輸效率，從而使其儘快投入更廣泛的實際應用當中。然而，在實驗實現方面，基於高維量子系統的複雜性，密鑰的發生和測量一直是困擾學界的最主要問題。
在西安交通大學理學院量子信息研究組張沛教授、王小力教授的指導下，博士生王傅民等經過兩年的探索，通過使用光子橫向模式光子軌道角動量與徑向模式的複合編碼解決了高維量子密鑰分配系統密鑰發生難，信息測量效率低的問題，首次提出了使用光子軌道角動量與徑向模式的特殊複合量子態基矢（Mutually Partially Unbiased Bases, MPUB）進行高維量子信息的發送和接收。 MPUB中的量子態結構簡單並可通過使用柱狀透鏡相互轉換，從而極大簡化了基矢的選擇和測量過程。不僅如此，參與編碼的複合量子態都具有相同的模式數，可以保持更好的相干性，使傳輸更穩定，在理論上可以達到GHz的傳輸效率。
同時，實驗設備的不斷髮展進步也會使MPUB具有更大的應用前景：柱狀透鏡的高速切換一旦實現，基於MPUB的高維量子密鑰分配系統的複雜性將極大降低，與二維繫統相同, 從而實現以低維繫統的系統成本達到高維繫統的傳輸效率。
該研究成果近期發表在國際物理權威期刊Physical Review A上，王小力教授的博士生王傅民為該論文的第一作者，張沛教授為通訊作者，西安交通大學為本文第一通訊作者單位。該項成果是理學院量子信息研究組在量子信息編碼方面的一項重要突破。課題組通過與清華大學交叉信息學院馬雄峰教授課題組，美國羅切斯特大學Robert. W Boyd教授課題組合作，這種新型高維量子態在編碼方面的安全性和在自由空間中的傳輸穩定性都得到了嚴格證明和分析。相信在不久的將來，這項工作將會成為高維量子密鑰分配方面的主流選擇。
該項研究得到國家自然科學基金面上項目等的資助。
論文鏈接為：https://journals.aps.org/pra/abstract/10.1103/PhysRevA.101.032340
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