Author Affiliations
Abstract
1 Nanjing University, National Laboratory of Solid-state Microstructures, School of Physics, Research Institute of Superconducting Electronics, School of Electronic Science and Engineering, College of Engineering and Applied Sciences, Collaborative Innovation Center of Advanced Microstructures, Nanjing, China
2 Sun Yat-sen University, State Key Laboratory of Optoelectronic Materials and Technologies, School of Electronics and Information Technology, Guangzhou, China
Integrated photonics provides a route to both miniaturization of quantum key distribution (QKD) devices and enhancing their performance. A key element for achieving discrete-variable QKD is a single-photon detector. It is highly desirable to integrate detectors onto a photonic chip to enable the realization of practical and scalable quantum networks. We realize a heterogeneously integrated, superconducting silicon-photonic chip. Harnessing the unique high-speed feature of our optical waveguide-integrated superconducting detector, we perform the first optimal Bell-state measurement (BSM) of time-bin encoded qubits generated from two independent lasers. The optimal BSM enables an increased key rate of measurement-device-independent QKD (MDI-QKD), which is immune to all attacks against the detection system and hence provides the basis for a QKD network with untrusted relays. Together with the time-multiplexed technique, we have enhanced the sifted key rate by almost one order of magnitude. With a 125-MHz clock rate, we obtain a secure key rate of 6.166 kbps over 24.0 dB loss, which is comparable to the state-of-the-art MDI-QKD experimental results with a GHz clock rate. Combined with integrated QKD transmitters, a scalable, chip-based, and cost-effective QKD network should become realizable in the near future.
quantum key distribution hybrid photonics single-photon detector Bell-state measurement time-multiplexing Advanced Photonics
2021, 3(5): 055002
由于贝尔态测量是量子信息处理的前提,因此提出了一种针对贝尔态的非破坏性测量方案。在该方案中,将奇偶校验门作为关键器件,利用奇偶校验门不改变输入光子状态的特性实现了C-NOT门和Toffoli门。然后,将Toffoli门和Hadamard门结合实现了对4种贝尔态的确定性测量。所提方案可用于双光子纠缠态测量,并可推广到三光子纠缠态的应用场景中,为贝尔态测量与量子信息处理提供了新的思路。
量子光学 量子信息与处理 贝尔态测量 奇偶校验门 量子逻辑门 光学学报
2021, 41(20): 2027002
1 国防科技大学信息通信学院, 陕西 西安 710106
2 重庆师范大学计算机与信息科学学院, 重庆 401331
一次一密经典通信方式存在密钥丢失的风险,在传输大量数据时密钥会很快消耗完,不适于大数据经典通信,同时量子隐形传态由于要区分四个Bell态,实现起来比较困难。考虑到量子信道不仅能传输量子信息,还可以传输经典信息,提出将量子隐形传态看作量子信道,进而传输经典信息序列。在传输的过程中将待传输的信息0和1分别编码为计算基矢态|0>和|1>,这样在保证安全性的基础上可以不停地生成密钥,适用于大数据通信,同时此方案只需区分两种Bell态,实现起来比较容易。
量子光学 量子隐形传态 Bell基测量 量子信道 线性量子光学 激光与光电子学进展
2019, 56(23): 232602
山西大学 物理电子工程学院,山西 太原 030006
提出了一种多控制者的双向量子隐形传态方案。在该理论方案中有三个控制者协助通信,纠缠资源为最大七粒子纠缠态,其中通信者Alice和Bob以及三个控制者预先秘密共享最大七粒子纠缠态以构建量子信道。三个控制者的参与提高了通信的安全性,同时也避免了执行三粒子联合测量的复杂性。在通信过程中,首先Bob对自己密享的粒子执行酉操作,接着通信方各自对自己手中的粒子执行Bell基测量。假如控制者同意双方通信,便对自己手中的粒子执行单粒子测量并将测量结果通过经典信道传输给通信者。通信方分别结合控制者所公布的测量结果做相应的酉操作,这样便能完美地实现双向量子控制隐形传态。
双向量子控制隐形传态 七粒子最大纠缠态 Bell基测量 酉操作 two-way control quantum teleportation maximum seven particle entangled states Bell state measurement unitary operation
广东水利电力职业技术学院自动化工程系,广东 广州 510635
提出了一个由三方共享五粒子Cluster态为量子通道进行单粒子双向隐形传送的方案。 方案中通信双方Alice和Bob各拥有五粒子Cluster态中的2个粒子以及未知单粒子态的粒子A和B, 控制者Cindy拥有Cluster态中1个粒子。Alice和Bob首先分别对手中的粒子A, B以及通道中的1个粒 子做Bell基测量。并通过经典信道将测量结果告知对方以及控制者Cindy。接着, Cindy对手中的粒 子做单粒子投影测量,并通过经典信道告知Alice和Bob测量结果。Alice和Bob根据三方的测量结果 分别对手中的另一个粒子做出相应的幺正操作得到对方所要传送的量子态,使单粒子态的受 控双向隐形传态的目的得以实现。
量子信息 受控双向隐形传态 五粒子Cluster态 Bell基测量 幺正操作 quantum information controlled two-way quantum teleportation five particle cluster state Bell-state measurement unitary operations
1 江西师范大学 物理与通信电子学院,南昌 330022
2 江西省光电子与通信重点实验室,南昌 330022
提出一个基于四粒子GHZ纠缠态实现未知单粒子态的可控量子双向传态方案.通信双方Alice和Bob以及控制方事先密享两对四粒子GHZ纠缠态以构建量子信道, 根据纠缠粒子的不同分发方式, 以及测量时所选择的不同测量基, 可以分别实现三方和四方参与的可控量子双向传态.通信开始后, Alice和Bob分别对自己拥有的部分粒子作量子投影测量, 若控制方同意双方通信, 则对自己拥有的粒子作测量并通过经典信道公布测量结果.通信双方根据控制方公布的测量结果对各自的某个粒子作相应的幺正变换, 即可在己方的粒子上重建对方待传的量子态.由于第三方Charlie以及第四方Dennis的加入, 整个双向传态的安全性大为提高.
量子通信 可控量子隐形传态 GHZ纠缠态 Bell基测量 安全性 Quantum communication Controlled two-way quantum teleportation GHZ entangled state Bell-state measurement Security
提出两个二能级原子纠缠态的隐形传态方案，方案中选用由四个全同二能级原子组成的非最大纠缠Cluster态作为量子信道.研究表明，接收者根据发送者传送的经典信息，通过引入一个附加原子并实施相应的幺正变化，即可以一定的概率重构原子态，此概率由Cluster态中绝对值最小的两个系数决定.该方案中使用的是Cluster非最大纠缠态作为量子信道，因此与其他方案相比该方案可以节约更多的纠缠资源和经典信息.如果使用Cluster最大纠缠态作为量子信道，那么此方案即为一般的量子传态方案，成功传送的概率为100%.
量子光学 概率隐形传态 Cluster态 Bell态测量 幺正变换 Quantum optics Probabilistic teleportation Cluster state Bell state measurement Unitary transformation
1 江西师范大学物理与通信电子学院, 江西 南昌 330022
2 江西省光电子与通信重点实验室, 江西 南昌 330022
提出一个基于第三方控制的量子双向传态方案:通信双方Alice、Bob和控制方Charlie事先共享 一个六粒子团簇态,通信开始后, Alice、Bob分别对自己拥有的部分粒子作Bell基联合测量(BSM), 若控制方同意双方通信,则对自己拥有的粒子对作测量,将粒子所处的态公布;通信双方根据控制方公 布的测量结果,对各自的某些粒子作适当的幺正变换,即可在这些粒子上重建对方要传的态。由于加入了 第三方的控制,双向传态的安全性得到了提高。
量子光学 双向传态 Bell基联合测量 六粒子团簇态 第三方控制 quantum optics two-way teleportation Bell-state measurement six-qubit cluster state controlled by a third party
1 江西师范大学 物理与通信电子学院
2 江西省光电子与通信重点实验室,南昌 330022
通过量子隐形传态只能单向传递信息，从某种意义上说，并不是真正的“通信”，本文提出一个由第三方控制的量子双向通信方案：通信双方经过幺正变换实现信息编码，然后分别对自己拥有的粒子进行贝尔基联合测量，公布测量结果，在控制方同意的情况下，实现量子安全对话，而控制方并不知道对话内容.由于控制方的加入，大大增强了量子对话的安全性，使得这一方案更趋完美.通过量子信道实现了经典信息的安全双向通信，它在未来量子安全对话、量子保密通信的实际应用中能起到重要的参考作用.
量子对话 幺正变换 Bell基联合测量 安全性 Quantum dialogue Unitary transformation Bell-state measurement Security
广西民族大学 物理与电子工程学院，南宁 530006
提出了一个基于高维2m+1粒子纠缠态的任意m粒子态量子可控离物传态方案，发送方Alice对需传送的未知态量子系统和手中的纠缠粒子执行m个广义Bell基测量，控制方执行广义X基测量，依据预先共享量子纠缠态非定域相关性，接收方对手中的粒子执行相应的幺正操作就可以重建原来未知量子态.与其他方案相比，方案减少了任意高维多粒子态可控离物传送所需传送粒子数.我们进一步讨论了基于纯纠缠信道的概率量子可控离物传态方案，通过与发送方和控制方合作，接收方只需对手中的纠缠粒子和引入的附加粒子执行联合幺正演化和投影测量，就可以在他的粒子上概率的重建原来的未知量子态，最后，方案计算讨论了基于纯纠缠态量子可控离物传态成功概率与信道纠缠度之间的关系.
量子信息 量子可控离物传态 广义Bell基 纯纠缠 Quantum information Controlled teleportation Generalized Bell state measurement Pure entanglement
