基于光子轨道角动量部分互无偏基的实用高速高维量子密钥分发展望

量子密钥分发（QKD）利用量子物理保障通信安全。当前广泛采用的 QKD 协议多以二进制信号格式——量子比特（如偏振态）编码密钥信息，因此量子密钥的传输信息效率本质上受限于每光子 1 比特。高维量子系统是提高单光子容量的潜在候选方案。然而，由于高维量子系统操控与测量的困难，实验上的高维 QKD 仍处于起步阶段。本文提出一种利用光子轨道角动量（OAM）的部分互无偏基（PMUB）的实用高速高维 QKD。与以往的 OAM 编码不同，我们所用的高维 Hilbert 空间由同模阶的 OAM 态展开，可扩展至相当高的维度并在当前最先进技术下实现。由于所有 OAM 态处于同一模阶，相干性在长距离传播后得以良好保持，且探测可利用被动线性光学元件以极高速率完成。我们展示了协议具有高密钥生成率，并分析了其在大气湍流下的抗噪能力。此外，基于 PMUB 的协议安全性得到严格证明。我们的协议为光子 OAM 在高维 QKD 领域的应用开辟了全新途径，可成为高效量子通信的突破。