基於光子角動量的量子計算和量子密碼研究

《基於光子角動量的量子計算和量子密碼研究》是依託西安交通大學，由張沛擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：基於光子角動量的量子計算和量子密碼研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：張沛
• 依託單位：西安交通大學

中文摘要

光子角動量包含自旋（光的偏振）和軌道（光的橫模）兩部分。光子軌道角動量的由於其具有高維特性，加上近年來隨著技術的進步，特別是支持高階模式傳輸光纖的出現，其在量子信息和經典通信領域的研究越來越多的引起科學家的重視。本項目將在青年基金項目取得的基礎上，進一步開展套用研究，主要利用光子的軌道角動量，輔助光子自旋角動量，實現高維量子計算和量子密鑰分配。研究各種攜帶光子軌道角動量的雷射模式的基本性質；同時，在量子計算方面，以雙光子高維糾纏態為基礎，首先實現兩維的CNOT門，再實現高維量子邏輯門，進而實現高維量子算法，演示量子計算過程；在量子密鑰分配方面，擬利用光子軌道角動量實現不需要對準參考系的量子密鑰分配方案，並且開展高維密集編碼的量子密鑰和量子通信研究。該項目的開展，將為基於光子軌道角動量的量子計算和量子通信提供理論和實驗基礎。

結題摘要

光子角動量包含自旋（光的偏振）和軌道（光的橫模）兩部分。光子軌道角動量的由於其具有高維特性，在量子信息和經典通信領域的研究越來越多的引起科學家的重視。本項目在青年基金項目研究的基礎上，進一步深入開展基於光子軌道角動量（OAM）的量子信息研究。在項目的資助下，我們在四個方面取得了一系列研究成果：1.光的軌道角動量態的產生、操控和鑑別，我們基於不同原理，提出了多種OAM態測量和操控方法，並在實驗上給予了驗證。其中基於旋轉都卜勒效應的方法可以實現OAM模式譜和模式之間相位的快速精確測量，在高維OAM探測方面有著重要的意義。2. 基於OAM高維量子系統，我們開展了高維量子計算研究，在理論和實驗上研究量子隨機行走算法、量子Deutsch算法、量子排序算法等，取得了具有影響力的研究成果；3. 實現了參考系無關的集成量子密碼系統，解決了量子密碼套用中的抗干擾和小型化難題。同時我們還提出了高維量子密碼方案，理論上可以通過單光子高維編碼，實現高碼率的量子密鑰分配。4. 合作競爭關係，在人類社會中非常的普遍。賭博屬於博弈的一種，而在這類博弈中，如何保證博弈的公平性一直是一個難題。我們將博弈論中的關鍵概念和方法融入量子資訊理論，創建出一種新的協定，以確保雙方採用的策略將達到納什均衡點，並利用量子力學的原理保證了公平性。該研究工作為解決合作競爭中的公平性問題提供了一種新的思路。項目實施期間，以第一作者或通信作者在物理學高水平期刊Light: Science & Applications、Physical Review Letters、Physical Review A、Scientific Reports、Optics Letters、Optics Express等發表論文18篇，部分論文受到國際同行和媒體的高度關注。