操纵光子横向模式用于量子密码学

已有多种方案被提出以扩展量子密钥分发协议，旨在提高其安全性或为量子比特实现提供新的物理载体。我们展示了一套工具箱，用于共同创建、操纵和测量存储在单光子偏振和横向模式自由度中的量子比特。该工具箱包括对单个量子比特的局域操作、两个量子比特之间的受控操作，以及在四维状态空间中对各种非局域基的投影测量。我们描述了如何利用该工具箱执行适用于此希尔伯特空间的扩展版 BB84 协议（理想情况下每个光子传输两个密钥比特）。我们展示了该测量方案在强光束和单光子两种机制下的实验实现。因此，我们证明了实施该协议的可行性，提供了一个利用光的偏振和横向模式作为量子比特进行量子信息处理新方法的有趣范例。