摘要：量子密钥分发提供了一种从根本上确保密钥交换安全的方案，研究人员也正在积极探索高维量子态在提升容量和安全性方面的潜力，尤其是在长距离通信领域。渥太华大学量子技术中心的 Rojan Abolhassani、Lukas Scarfe 和 Francesco Di C

量子密钥分发提供了一种从根本上确保密钥交换安全的方案，研究人员也正在积极探索高维量子态在提升容量和安全性方面的潜力，尤其是在长距离通信领域。渥太华大学量子技术中心的 Rojan Abolhassani、Lukas Scarfe 和 Francesco Di Colandrea，与 Alessio D'Errico、Khabat Heshami 和 Ebrahim Karimi 等同事一起，研究自适应光学系统如何有效抵消大气湍流对这些高级量子信号的扭曲效应。该团队通过实验测试了高速自适应光学系统校正不同类型量子态、轨道角动量模式、互不偏基以及对称、信息完备、算子值正测度（通过湍流自由空间信道传输）的能力。他们的结果表明，虽然湍流会严重扭曲量子信号，但自适应光学可以有效地纠正轨道角动量状态，实现足够低的错误率以实现安全通信，并且仔细选择编码基础对于最大限度地提高弹性和校正性能起着至关重要的作用。

自适应光学实现高维量子密钥分发

研究人员利用自适应光学（AO）技术，通过湍流自由空间信道成功实现高维量子密钥分发（QKD），在安全通信方面取得了重大进展。该团队研究了各种量子态的性能，包括轨道角动量（OAM）模式、相互无偏基（MUB）和对称信息完备正算子值测度（SIC-POVM），最高维度为 8，以确定减轻大气湍流影响的最佳策略。实验表明，虽然湍流会严重扭曲 OAM 状态，但它们固有的圆柱对称性允许使用 AO 系统进行最佳校正，从而实现低于既定 QKD 安全阈值的错误率。研究表明，AO 系统对纯 OAM 模式提供最高的校正性能；然而，这些模式对湍流也最敏感。

相比之下，MUB 和 SIC-POVM 表现出更强的固有湍流鲁棒性，尽管它们的错误率略高于 OAM 基组。尽管如此，应用自适应光学 (AO) 可以恢复信道安全性，并在不同模式集之间平衡弹性和可纠错性。这些发现证实了自适应光学是安全高维量子密钥分发 (QKD) 的关键推动因素，为光纤电缆不适用的全球量子网络（例如卫星通信）铺平了道路。通过精心选择基组并采用自适应光学，研究人员可以克服大气湍流带来的挑战，并建立安全的长距离通信链路。结果展示了在每个光子上编码更多比特、提高防范窃听的安全阈值以及最终增强量子通信系统鲁棒性的潜力。

湍流缓解指导最佳 QKD 基础选择

本研究系统地探究了多个量子密钥分发 (QKD) 基组（包括相互无偏基组 (MUB) 和对称信息完备正算子值测度 (SIC-POVM)）在湍流自由空间环境中的行为。研究表明，自适应光学 (AO) 能够有效缓解湍流引起的畸变，从而实现 QKD 实施，同时将错误率保持在安全阈值以下。重要的是，自适应光学校正的有效性取决于所选的基组，其中轨道角动量 (OAM) 模式尽管最初受湍流畸变较大，但从自适应光学中受益最大。这些发现为在不同大气条件下选择合适的 QKD 基组提供了实用指导。

作者建议，可以通过优先使用OAM模式进行信息传输，并主要利用MUB进行安全检查来优化QKD方案，从而充分利用每种方法的优势。除了QKD之外，这些结果还对依赖光的空间模式的领域（例如生物成像和基于涡旋束的日冕仪）具有重要意义，因为自适应光学（AO）可以增强这些领域的性能。未来的研究可以探索优化QKD协议，以充分利用自适应光学校正的优势以及不同基组的独特特性。

量子密钥分发中的大气湍流和自适应光学

量子密钥分发 (QKD) 基于量子力学原理，实现安全的密钥交换，高维光子态可提供增强的信道容量和抗噪声能力。自由空间 QKD 对于光纤不适用的全球网络至关重要，但大气湍流会严重扭曲量子态，尤其是空间模式。自适应光学 (AO) 提供了一种纠正这些误差的途径，其有效性取决于编码基础。该团队研究了不同量子态在湍流条件下的表现，以及自适应光学如何有效地纠正这些扭曲。

实验表明，自适应光学 (AO) 可显著降低在湍流空气中运行的量子密钥分发 (QKD) 系统的误差。该研究探索了各种基组，包括轨道角动量 (OAM) 模式、相互无偏基组 (MUB) 和对称信息完备正算子值测度 (SIC-POVM)，以确定缓解湍流的最佳策略。研究结果表明，虽然 OAM 状态最初更容易受到湍流的影响，但它们从自适应光学 (AO) 校正中获益最多。MUB 和 SIC-POVM 表现出更强的固有湍流鲁棒性，但它们的误差率略高。通过精心选择基组并采用自适应光学 (AO)，研究人员可以克服大气湍流带来的挑战，建立安全的长距离通信链路，为光纤电缆不适用的全球量子网络（例如卫星通信）铺平道路。

来源：大伟聊科学