基于拉曼协议的量子存储

量子存储器是实现按照需要存储/读出诸如单光子、纠缠或者压缩态等非经典量子态的系统,是实现量子通信和量子计算必不可少的核心器件.量子存储协议多种多样,其中拉曼方案由于具有存储宽带大、可用于存储短脉冲信号的优点而引起了人们的广泛关注.然而实现真正单光子和光子纠缠的拉曼存储具有挑战性.本文简要介绍了量子存储器的主要性能和评价指标,在回顾了量子存储器特别是拉曼量子存储器的发展现状后,重点介绍了本研究组最近基于拉曼协议实现各种量子态存储的系列研究,取得的研究成果对于构建高速量子网络具有重要参考价值.     

量子存储式量子计算机与无噪声光子回波

量子计算机一个重要的应用是攻破经典密码.以往的研究表明,攻破广泛使用的2048位RSA密码所需要的量子比特数目在2000万左右,远远超出了目前的技术水平.近期法国研究人员提出,如使用配备了多模式量子存储的量子计算机,则只需要1.3万个量子比特即可攻破2048位的RSA密码.这一研究把量子存储器的应用推广到量子计算领域,为研制实用化量子计算机提供了一条新的技术路线.量子存储式量子计算机需要微波段的量子存储器,这是目前亟待开发的新技术.基于对量子存储过程中原子辐射本质的分析,近期我们提出了无噪声光子回波方案,成功解决了光子回波的自发辐射噪声难题,有望进一步实现微波段量子存储并应用于量子存储式量子计算机中.     

轨道角动量态的量子存储（英文）

轨道角动量(OAM)光束在精密测量、微小粒子的操控以及基础物理研究等领域具有重要的应用。基于OAM编码的光信息处理由于其大信道容量的优点成为经典和量子通信领域的研究热点,并已在近几年取得了许多突破性进展。在量子信息领域,量子中继是克服通信保真度随传输距离呈指数衰减、实现长距离量子通信的关键技术,其中用于存储量子信息的光量子存储器是组成量子中继的关键器件。尽管人们已成功实现了编码于偏振、路径、time bin等自由度的量子态的存储,然而到2013年以前,存储编码于OAM自由度的量子态的量子存储器仍未实现。近年来我们研究组一直专注于OAM量子态的存储实验研究。本文在概述了量子存储器的各项性能标准后,着重介绍我们组在OAM量子态存储方面取得的一系列研究进展:包括OAM量子比特(qubit)和量子三维态(qutrit)、二维和高维OAM纠缠态以及包含OAM自由度的超纠缠和杂化纠缠的量子存储。这些进展为未来构建高维量子信息网络奠定坚实的基础。     

多模式固态量子存储

量子存储器是光子与物质系统之间的接口,允许存入和读出加载了量子信息的光子,是构建实用化量子网络的核心器件.基于稀土掺杂晶体可以实现固态的量子存储器,较长的相干时间和较宽的存储带宽使其成为目前最有潜力的量子物理系统之一.本文综述近年来基于稀土掺杂晶体的多模式固态量子存储方面的实验进展.主要内容包括频率自由度的多模式量子存储、时间自由度的多模式量子存储、空间自由度的多模式量子存储和多个自由度并行复用的多模式量子存储.在多自由度复用的多模式存储的基础上进一步介绍基于量子存储器的量子模式变换和实时的任意操作.该系列工作为构建高速率的实用化量子网络奠定基础,其中超越存储器本身的脉冲操作功能还有望在未来量子信息处理过程中获得广泛的应用.     

通过四比特 态实现任意量子态的量子隐形传态方案

提出了一个将四比特|χ〉态作为量子通道实现任意单量子比特和两量子比特的量子态的隐形传送方案.该方案依赖于两个通信站点之间的纠缠.在这个方案里,我们给出了Alice的测量结果以及Bob进行的相应的幺正操作,计算结果表明,该隐形传送方案是完美的,也就是说它的成功概率可达到1.此外,该方案中用到的测量以及纠缠通道的制备在目前的技术下是完全可行的.因此,我们的方案有望在实验上实现.     

基于量子存储和纠缠光源的测量设备无关量子密钥分配网络

针对传统量子密钥分配协议安全密钥传输距离较短,难以实现长距离量子保密网的问题,提出了基于量子存储和纠缠光源(EPS)的测量设备无关量子密钥分配协议及其网络模型。比较了直接预报量子存储、非直接预报量子存储与基于EPS的量子存储的优劣,分析了基于量子存储和EPS的测量设备无关量子密钥分配系统中密钥生成率与安全传输距离、存储器量子态保持时间的关系。仿真结果表明,基于EPS的量子存储方案弥补了直接预报量子存储方案需要预报存储器的不足,安全传输距离远高于非直接预报量子存储方案,且当存储器的量子态保持时间T_1大于1 ms时,量子密钥生成率基本不再随T_1增大而增大。实验中采用双信道两用户网络模型,实际中可通过时分复用器和快速光开关实现单信道多用户的量子密钥分配网络。     

量子图像存储

量子通讯的实现离不开量子存储器。量子存储器是一个能够按照需要存储和读出量子态的系统,而被存储的是非经典的量子态,如单光子、纠缠、压缩态等。多模存储能力是衡量量子存储器工作性能的一个重要指标。空间域的多模存储可以极大地减小对存储器存储时间的要求,因此空间多模存储引起了国内外学者的广泛关注,并在近几年取得了许多重要进展。文章简述了量子存储器的主要性质与评价指标,回顾了近年来量子存储的研究进程,特别介绍了量子图像存储方面的最新实验进展。     

量子无线广域网构建与路由策略

提出了一种基于多阶量子隐形传态的量子路由方案, 在量子移动终端之间没有共享纠缠对的情况下, 仍然可以完成量子态的无线传输. 该量子路由方案可以用来构建量子无线广域网, 其传输时延与所经过的链路距离和基站数目无关, 传输一个量子态所需的时间与采用量子隐形传态所需的时间相同. 因此, 从数据传输速率的观点来看, 该方案优于基于纠缠交换的量子路由方案. 关键词： 量子通信 多阶量子隐形传态 量子路由 量子无线广域网     

利用脉冲延迟实现微波波导中量子态存储与异地按需读取

量子存储是实现长距离量子通信的关键步骤,也是量子信息处理的重要基础.在满足存储时间长、保真度高的基础上,实现量子态的异地按需读取对构建实用化量子网络有着重要意义.本文基于受激拉曼绝热路径(stimulated Raman adiabatic passage, STIRAP)的方法,提出了通过设计可控脉冲延迟在一维微波波导中实现高保真度的量子态存储与异地按需读取的理论方案.该方案不仅可以根据需求在异地决定读出时间,且可以降低原始STIRAP方案所需的脉冲面积,降低能量消耗.数值计算的结果表明,该方案实现的保真度对波导中的平均热光子数及读出脉冲的持续时间均有较强的鲁棒性.     

量子信令中继器模型及性能仿真

为了解决量子信令远程传输损伤问题,提出了一种量子信令中继器模型. 在该模型中,首先对接收到的信令量子态进行纠缠纯化和纠缠分发,这样就可在收发双方之间建立纠缠信道. 其次,通过纠缠交换,传送所要发送的量子信令,从而完成量子信令的中继. 仿真结果表明,在保真度为0.98、纠缠对成功建立概率为0.98的条件下, 信令中继成功率可以达到97%以上;在纠缠交换概率、纯化概率和纠缠对成功建立概率都为0.98时, 量子信令中继器的吞吐量可达到183kbps,以上各项指标能够有效满足量子通信对信令中继的要求. 关键词： 量子通信 量子信令 纠缠纯化 纠缠分发     

基于分组交换的量子通信网络传输协议及性能分析

量子纠缠交换能够建立可靠的量子远程传输信道, 实现量子态的远程传输. 然而, 基于纠缠交换的量子信道要求网络高度稳定, 否则会浪费大量纠缠资源. 为节省纠缠资源, 本文根据隐形传态理论, 提出了一种基于分组交换的量子通信网络传输协议, 建立了发送量子态所需的纠缠数目与所经过的路由器数、链路错误率的定量关系, 并与纠缠交换传输协议进行了比较. 仿真结果表明, 在链路错误率为0.1% 时, 分组传输协议所使用的纠缠数目少于纠缠交换的数目, 另外, 随着错误率的升高, 分组传输协议所需的纠缠数比纠缠交换协议明显减少. 由此可见, 基于分组交换的量子通信网络传输协议在网络不稳定时, 能够节省大量纠缠资源, 适用于链路不稳定的量子通信网络.     

Three-step semiquantum secure direct communication protocol

Quantum secure direct communication is the direct communication of secret messages without need for establishing a shared secret key first. In the existing schemes, quantum secure direct communication is possible only when both parties are quantum. In this paper, we construct a three-step semiquantum secure direct communication (SQSDC) protocol based on single photon sources in which the sender Alice is classical. In a semiquantum protocol, a person is termed classical if he (she) can measure, prepare and send quantum states only with the fixed orthogonal quantum basis {|0〉, |1〉}. The security of the proposed SQSDC protocol is guaranteed by the complete robustness of semiquantum key distribution protocols and the unconditional security of classical one-time pad encryption. Therefore, the proposed SQSDC protocol is also completely robust. Complete robustness indicates that nonzero information acquired by an eavesdropper Eve on the secret message implies the nonzero probability that the legitimate participants can find errors on the bits tested by this protocol. In the proposed protocol, we suggest a method to check Eves disturbing in the doves returning phase such that Alice does not need to announce publicly any position or their coded bits value after the photons transmission is completed. Moreover, the proposed SQSDC protocol can be implemented with the existing techniques. Compared with many quantum secure direct communication protocols, the proposed SQSDC protocol has two merits: firstly the sender only needs classical capabilities; secondly to check Eves disturbing after the transmission of quantum states, no additional classical information is needed.     

集体噪声信道上带身份认证的无信息泄露的量子对话协议

在集体噪声条件下提出三个带身份认证的量子对话协议,两个量子对话协议分别用于抵抗集体消相干噪声和集体旋转噪声,另一个用于同时抵抗这两种集体噪声.通信双方通过广义幺正变换将自己的秘密信息编码到量子态中;并根据自己的秘密信息和携带秘密信息的粒子的初末两量子态,便可推知对方的秘密信息实现量子对话.协议的效率、安全性和无信息泄露等性能分析表明了协议的有效性.     

基于量子隐形传态的量子保密通信方案

量子保密通信包括量子密钥分发、量子安全直接通信和量子秘密共享等主要形式.在量子密钥分发和秘密共享中,传输的是随机数而不是信息,要再经过一次经典通信才能完成信息的传输.在量子信道直接传输信息的量子通信形式是量子安全直接通信.基于量子隐形传态的量子通信(简称量子隐形传态通信)是否属于量子安全直接通信尚需解释.构造了一个量子隐形传态通信方案,给出了具体的操作步骤.与一般的量子隐形传态不同,量子隐形传态通信所传输的量子态是计算基矢态,大大简化了贝尔基测量和单粒子操作.分析结果表明,量子隐形传态通信等价于包含了全用型量子密钥分发和经典通信的复合过程,不是量子安全直接通信,其传输受到中间介质和距离的影响,所以不比量子密钥分发更有优势.将该方案与量子密钥分发、量子安全直接通信和经典一次性便笺密码方案进行对比,通过几个通信参数的比较给出各个方案的特点,还特别讨论了各方案在空间量子通信方面的特点.     

Network-topology-adaptive quantum conference protocols

As an important application of the quantum network communication,quantum multiparty conference has made multiparty secret communication possible.Previous quantum multiparty conference schemes based on quantum data encryption are insensitive to network topology.However,the topology of the quantum network significantly affects the communication efficiency,e.g.,parallel transmission in a channel with limited bandwidth.We have proposed two distinctive protocols,which work in two basic network topologies with efficiency higher than the existing ones.We first present a protocol which works in the reticulate network using Greeberger-Horne-Zeilinger states and entanglement swapping.Another protocol,based on quantum multicasting with quantum data compression,which can improve the efficiency of the network,works in the star-like network.The security of our protocols is guaranteed by quantum key distribution and one-time-pad encryption.In general,the two protocols can be applied to any quantum network where the topology can be equivalently transformed to one of the two structures we propose in our protocols.     

Robust QKD-based private database queries based on alternative sequences of single-qubit measurements

Quantum channel noise may cause the user to obtain a wrong answer and thus misunderstand the database holder for existing QKD-based quantum private query (QPQ) protocols. In addition, an outside attacker may conceal his attack by exploiting the channel noise. We propose a new, robust QPQ protocol based on four-qubit decoherence-free (DF) states. In contrast to existing QPQ protocols against channel noise, only an alternative fixed sequence of single-qubit measurements is needed by the user (Alice) to measure the received DF states. This property makes it easy to implement the proposed protocol by exploiting current technologies. Moreover, to retain the advantage of flexible database queries, we reconstruct Alice’s measurement operators so that Alice needs only conditioned sequences of single-qubit measurements.     

Quantum Key Distribution Protocol Optimization

Quantum key distribution is a practically implementable cryptographic communication methodology from the hardware and software point of view. It is an information‐theoretic secure method for transmitting keys to remote partners practicing quantum communication. After examining various protocols from the most basic on, BBM92, DPSK, SARG04 and MDI (Measurement Device Independent) protocols are described in view of targeting the longest possible communication distance with the highest secret key bitrate. How any protocol can be optimized with respect to distance is discussed by analyzing the various steps impacting hardware and software that are developed, starting from the underlying assumptions proper to every protocol and ending with the corresponding performance in each case.     

A Novel Quantum Solution to Privacy-Preserving Nearest Neighbor Query in Location-Based Services

We present a cheating-sensitive quantum protocol for Privacy-Preserving Nearest Neighbor Query based on Oblivious Quantum Key Distribution and Quantum Encryption. Compared with the classical related protocols, our proposed protocol has higher security, because the security of our protocol is based on basic physical principles of quantum mechanics, instead of difficulty assumptions. Especially, our protocol takes single photons as quantum resources and only needs to perform single-photon projective measurement. Therefore, it is feasible to implement this protocol with the present technologies.     

稀土掺杂固态量子存储研究进展

量子存储对量子信息网络的实现至关重要,是当前量子信息领域的研究前沿和热点.在实现量子存储的多种媒质中,稀土掺杂固体材料由于具有较长的光学相干时间和较宽的光学吸收带宽而备受研究人员的关注.本文将系统地介绍稀土掺杂固态量子存储在材料体系、存储协议、应用范围等方面的重要进展,着重从物理机理、实验方法和新近成果等方面,阐述基于原子频梳协议的稀土掺杂固态量子存储方案,并对该方案的未来发展做简要展望.