[2019年德国慕尼黑激光与电光学欧洲会议暨欧洲量子电子学会议(CLEO/Europe-EQEC)（2019.6.23-2019.6.27）] 2019年激光与电光学欧洲会议暨欧洲量子电子学会议(CLEO/Europe-EQEC) - 多模光纤量子密钥建立方法

摘要： 在信息时代，安全通信变得至关重要。量子通信协议的发展为信息提供了绝对安全的传输方式。历史上，量子密钥分发（QKD）采用二维偏振基编码信息，而长距离通信的关键要素是单模光纤。但这种方式本质上将每个光子的信息容量限制为1比特。如今，学界正致力于提升单条量子安全光路的数据承载能力。大芯径多模光纤支持多种横向光学模式，有望实现更高密度的信息传输。本文提出了一种安全高维远程密钥建立的全新概念：通过量子安全的波前整形技术，利用散射光的大芯径多模光纤传输信息。该方法天然适配高维字母表，核心原理如图1所示——发送符号时，Alice制备能使光子在光纤输出端面特定点聚焦的波前。光子在光纤中始终呈现所有模式的无序叠加态。若窃听者（Eve）拦截，光子会在其探测器上近乎随机坍缩（即便相同符号的不同副本也会产生差异）。唯有到达Bob端时，光子才会空间定位，使Bob能明确识别符号。与主流QKD协议不同，本方法无需使用两个随机切换的互易基即可检测窃听攻击。此外，信息以确定性方式传输，接收端可直接解码而无需经典后处理?；诠庀说奶匦裕痉椒茏匀谎由彀踩ㄐ啪嗬?。研究表明：当符号编码为单光子时，该方法具有量子安全性；且不要求光子处于纠缠（或其他特殊）量子态——弱相干态（即使每符号使用多个光子）仍能保证协议安全性。我们通过将信息编码至阶跃折射率多模光纤导模分解的少光子脉冲，实验表征了这种新型密钥交换方法的系统特性。