基于类量子比特qudit的实验可行量子密钥分发方案及其与现有量子比特和qudit协议的比较

最近，Chau提出了一种实验可行的基于qudit的量子密钥分发(QKD)方案。在该方案中，一比特信息以$(|i\rangle\pm|j\rangle)/\sqrt{2}$的形式在$2^n$维Hilbert空间中的制备态上进行相位编码，其中$n\ge 2$。对于每个制备并测量于同一二维Hilbert子空间的qudit，在无传输误差时可获得一比特原始密钥。本文中我们展示，通过修改基公布过程，相同的实验装置在无噪声情况下可为每个制备并测量于同一基的qudit生成$n$比特原始密钥。原因在于，除相位信息外，每个qudit还携带所用Hilbert子空间的信息。额外的$(n-1)$比特原始密钥源于对这额外信息的巧妙利用。我们证明了该修改协议的无条件安全性，并在单向经典通信设定下将其性能与市场上其他现有的可证明安全的基于量子比特(qubit)和qudit的协议进行比较。有趣的是，我们发现对于$n=2$的情形，该使用非退化随机量子码进行单向纠缠蒸馏的修改协议的秘密密钥率等同于六态(six-state)方案。