Complete experimental toolbox for alignment-free quantum communication
量子通信利用量子物理学的反直觉特征来执行在经典世界中不可能的任务。它对于测试量子理论的基础至关重要，并有望使我们的信息和通信技术发生革命。然而，对于两个或更多方执行甚至最简单的量子传输，它们必须建立和维护共享的参考系。这在通信资源中引入了相当大的开销，特别是在各方相对于彼此运动或旋转的情况下。我们通过实验证明了如何有效地传输编码在单光子旋转不变态中的量子信息来规避这个问题。通过开发一个完整的工具箱来对光子量子比特中的量子信息进行有效的编码和解码，我们证明了无纠缠的量子密钥分发的可行性，并实现了无纠缠的纠缠分发和对贝尔不等式的违反.我们的方案将在量子力学的基础测试和基于卫星的量子通信中得到应用。
2012-03-29 physics.optics quant-ph
Adjustable spatial filter for optimal free-space quantum communication round the clock
针对日间自由空间量子通信需适配动态链路条件的需求，研发可调空间滤波器实现实时视场调整，经1.7公里链路实验及与多模光纤耦合滤波对比，验证其可大幅提升系统安全密钥输出。
2023-03-17 physics.optics quant-ph
A hybrid quantum eraser scheme for characterization of free-space and fiber communication channels
我们展示了一个简单的投影测量的基础上的量子擦除器的概念，可用于表征任何通信信道的干扰。量子擦除器通常被实现为空间分离的路径干涉方案。在这里，我们利用的优势，重新定义的空间模式，取代物理路径的轨道角动量（OAM）的抽象路径的路径信息。值得注意的是，矢量模式（自由空间和光纤的自然模式）具有自旋轨道耦合态的不可分离特征，相当于两个独立标记路径的描述。我们探索光纤扰动的影响，通过探测阶跃折射率光纤信道的矢量模式，相关的高阶空间模式编码的信息超快光纤通信。
2017-07-24 physics.optics quant-ph
Using all transverse degrees of freedom in quantum communications based on a generic mode sorter
由光的横向结构提供的用于信息编码的状态空间的维数通常受到有限孔径的限制。在自由空间通信中广泛使用的拉盖尔-高斯（LG）模式的轨道角动量（OAM）数不能达到理论上的最大传输容量，除非将径向自由度复用到协议中。虽然已经开发了对径向量子数进行分类的方法，但是径向模式在量子通信中的应用需要额外的能力来有效地测量在相互无偏的基础上的LG模式的叠加。在这里，我们开发并实现了一个通用的模式分类器，能够通过使用模式转换器的LG模式的叠加排序。因此，我们展示了一个8维量子密钥分发实验，涉及所有三个横向自由度：自旋，方位角，和径向量子数的光子。我们的协议提出了一个重要的一步，达到一个自由空间链路的容量限制的目标，可以是有用的其他应用程序，涉及光子的空间模式。
2019-04-30 physics.optics quant-ph
Reconstruction of the Real Quantum Channel via Convex Optimization
量子过程层析成像通常用于完全表征未知的量子过程。然而，它可能导致一个非物理的过程矩阵，这将导致关于层析成像结果的信息丢失。凸优化广泛应用于机器学习，能够生成最适合原始数据的全局最优模型，同时将过程层析成像保持在合法区域中。只有正确地揭示过程的原始行为，才能更深入地探索它的性质，如它的相变和它的哈密顿量。因此，我们从我们在自由空间海水中获得的实验结果，使用凸优化重建真实的量子信道。此外，我们还提出了一个标准，状态偏差，以评估如何重建过程符合层析成像结果。我们相信量子过程层析成像和凸优化之间的交叉可能有助于我们向量子信道的机器学习迈进。
2018-09-12 quant-ph
Experimental free-space quantum secure direct communication and its security analysis
我们报道了一个基于单光子的自由空间量子保密直接通信的实验实现。量子通信方案使用相位编码，并且非对称马赫-曾德尔干涉仪被优化，以便自动补偿光子在自由空间介质上跃迁期间的相位漂移。在10米自由空间内，信息传输速率达到500 bps，平均量子误码率为0.49% $\pm$ 0.27%。分析了Eve进行集体攻击和光子数分裂集体攻击情况下的安全性。我们的结果表明量子安全直接通信在自由空间是可行的。
2020-09-03 quant-ph
Multi-mode Time-delay Interferometer for Free-space Quantum Communication
诸如量子密钥分发（QKD）和超密集隐形传态的量子通信方案提供了安全地通信信息的独特机会。越来越多的光通信被扩展到自由空间信道，但自由空间信道中的大气湍流需要光接收器和测量基础设施来支持许多空间模式。在这里，我们提出了一种多模，迈克尔逊型的时间延迟干涉仪使用的字段加宽的设计测量的相位编码状态在自由空间通信计划。该干涉仪采用玻璃光束路径，以提供热稳定性，扩大的角度公差，和一个紧凑的足迹。通过测量$99.02\pm0.05\,\%$和$98.38\pm0.01\,\%$分别用于单模和多模输入的频率，突出了干涉仪的性能。此外，高质量的多模干涉证明了任意的空间模式结构和温度变化的$\pm1.0\,^{\circ}$ C。该干涉仪在室温附近具有测量的$130\,$ nm $/\,^{\circ}$ C的光路长度漂移。在此基础上，我们实现了对双峰、多模、单光子态的测量，并在可见度为$97.37\pm 0.01\,\%$的情况下实现了时间相位量子密钥分配。
2019-08-02 physics.ins-det physics.optics quant-ph
Predicting atmospheric turbulence for secure quantum communications in free space
本文提出了一种名为TAROCCO的循环神经网络，基于5.4公里链路9个月的天气和湍流数据预测自由空间信道湍流强度，并通过模拟高维量子密钥分发协议证明其能优化密钥交换路由，保障安全通信。
2024-06-20 physics.comp-ph physics.optics quant-ph
Quantum computing and communication with decoherence-free atomic states
在量子计算和量子通信中，为了抵抗退相干对量子比特态相位因子的破坏，利用无退相干态进行量子信息的处理、传输和存储具有重要意义。我们提出了一个在单模腔中利用四个无消相干态的原子实现纠缠和基本量子逻辑门的方案。量子信息的传输可以直接从一个原子到另一个原子，其中腔仅被虚拟激发。讨论了该方案的可能应用和实验要求
2001-11-07 quant-ph
Error-free optical quantum communication
提出了一种通过噪声量子信道可靠传输量子信息的光学方案。该方案的灵感来自于量子纠错协议，但它避免了目前不可行的单光子之间的受控非操作的要求。本文提出的量子通信方案拒绝了单个比特翻转错误而不是纠正它们，并将三粒子纠缠态的量子测量特性与量子隐形传态的特性相结合。
2000-06-23 quant-ph
Stable, low-error and calibration-free polarization encoder for free-space quantum communication
偏振编码自由空间量子通信要求量子态源具有快速偏振调制、长期稳定和低本征误码率的特点。本文提出了一种基于Sagnac干涉仪的光源，该光源由保偏光纤、光纤偏振分束器和电光相位调制器组成。该系统利用自由空间中的固定参考系生成预定的偏振状态，其在发射机和接收机处都不需要校准。通过这种方式，我们实现了长期稳定性和低错误率。还报道了一个概念验证实验，证明了量子误码率低于0.2%，持续数小时，而没有任何主动重新校准的设备。
2020-04-24 quant-ph
Increasing the link-distance of free-space quantum coherent communication with large area detectors
报道了一种用于自由空间量子相干通信的大面积光电二极管零差探测器。从探测带宽和电子噪声两个方面研究了该探测器在散粒噪声受限量子信号探测中的性能。与典型的基于光纤的自由空间零差检测器相比，使用大面积光电二极管增加了来自湍流大气信道的信号收集效率。在相同的大气湍流和接收器孔径条件下，我们的零差检测器基于1mm直径的光电二极管经历0 dB的损失，由于湍流，而10 μ m的光纤为基础的检测器经历13.5dB的信号损失超过700公里的自由空间链路，在90度仰角。
2020-11-07 quant-ph
Error free quantum communication through noisy channels
我们提出了一种利用非共振场与原子的色散相互作用在遥远的量子比特之间实现量子逻辑门的方法。我们提出的方案是理想的工作，即使在用于通信的光子通道中存在错误。对误差的稳定性来自于一种矛盾的情况，即传输的光子不携带关于量子比特状态的信息。与以前的建议相比，理想的通信[物理学评论快报。78，4293（1997）]我们的建议只涉及发送和接收设备中的单个原子。
1998-10-14 quant-ph
Generative Machine Learning for Robust Free-Space Communication
Tulane University（杜兰大学）
现实的自由空间光通信系统受到光通过大气的湍流传播和接收器处的检测器噪声的影响，这会显著降低接收状态的光模式质量，增加模式之间的串扰，并且相应地增加系统的符号错误率（SER）。为了克服这些障碍，我们开发了一个最先进的生成机器学习（GML）和卷积神经网络（CNN）系统相结合，并证明其在自由空间光（FSO）通信设置的有效性。该系统可校正湍流引起的失真效应并降低检测器噪声，从而显着降低接收器输出端的SERS和串扰，同时无需反馈。该方案易于扩展，并且可以在不久的将来为建立远程经典和量子通信链路提供具体且具有成本效益的技术。
2019-09-05 cs.LG eess.SP physics.optics
Free-space model for a balloon-based quantum network
针对卫星自由空间量子通信成本高、可用性低的问题，本文提出高空气球平台的信道损耗模型并仿真多种QKD网络架构，证明气球可作为国家量子网络的现实替代方案。
2024-12-04 quant-ph
Time-Reversal-Symmetric Single-Photon Wave Packets for Free-Space Quantum Communication
提出了读出和检索过程，用于在编码在单个原子或离子的能级结构中的物质量子比特和编码在时间反演对称的单光子波包中的光子量子比特之间进行高效、高保真度的量子态传输。它们基于通过受激拉曼绝热通道在自由空间中按需控制物质量子比特的自发光子发射和吸收。由于这些过程不涉及高精细腔的模式选择或通过光纤的光子传输，因此它们作为自由空间量子通信协议的基本构建模块提供了有趣的前景。
2015-05-13 quant-ph
Quantum Communication Over Atmospheric Channels: A Framework for Optimizing Wavelength and Filtering
尽管量子网络的概念、设计和硬件变得越来越成熟，但对于自由空间系统的最佳波长还没有达成共识。我们提出了一个白天的自由空间量子信道作为波长和大气空间相干性（弗里德相干长度）的函数的深入分析。我们选择诱骗态量子密钥分发比特收益率作为性能指标，以揭示现实大气条件下实际量子比特协议的理想波长选择。我们的分析代表了一个严格的框架来分析空间，光谱和时间滤波的要求。这些结果将有助于指导自由空间量子通信和网络系统的发展。特别是，我们的研究结果表明，在光学波段较短的波长应考虑自由空间量子通信系统。我们的研究结果也被解释的背景下，高阶自适应光学的大气补偿。
2021-07-01 physics.ao-ph physics.optics quant-ph
Enhanced optical communication and broadband sub-shot-noise interferometry with a stable free-running periodically-poled-KTiOPO4 squeezer
利用周期性极化的KTiOPO4（PPKTP）晶体构建了一种本征稳定的I型光学参量振荡器，以产生稳定的明亮、连续波、宽带相位压缩光束。在20 MHz压缩带宽内，对微弱电光调制信号的光干涉测量灵敏度提高了3.2 dB。这也实现了超过相干光通信的信道容量增加。
2007-06-06 quant-ph
High-efficiency Weak-trace-free Counterfactual Communication via Quantum Zeno Effect
National University of Defense Technology（国防科技大学）
本研究利用量子芝诺效应实现高效率的反事实量子通信，通过量子光子芯片实验，实现了比特和图像传输的高效与低错误率。
2026-03-18 quant-ph
Daylight quantum keyless private communication for free-space links
Instituto de Telecomunicações（电信研究所）；Instituto Superior Técnico（里斯本高等技术学院）；University of Vigo（维戈大学）
研究在日光自由空间链路实现量子无密钥私密通信（QKPC），用简单实验装置，经编码、同步、解码等阶段，无需辅助经典同步信道，离线后处理，证明其在高噪声日光链路通信可行性。
2026-07-07 quant-ph
Suppression of Intensity Fluctuations in Free Space High-Speed Optical Communication Based on Spectral Encoding of a Partially Coherent Beam
提出了一种基于宽带脉冲激光辐射光谱编码的自由空间高速（Gbps）光通信系统的新概念。它示出，结合使用的部分相干激光束和一个相对较慢的光电传感器，可以抑制的数量级的距离超过10公里的反褶曲。我们还认为，从LED辐射的光谱编码作为一个千兆位速率的解决方案的“最后一英里”的问题和快速部署系统的灾难恢复。
2007-02-05 cond-mat.other physics.ao-ph physics.optics
A trusted-node-free eight-user metropolitan quantum communication network
量子通信由于其高安全性和技术成熟度而迅速普及。然而，大多数实现仅限于两个通信方（用户）。量子通信网络旨在连接众多用户。在这里，我们提出了一个完全连接的量子通信网络在城市范围内没有主动交换或可信节点。我们演示了所有28对8个用户之间的同步和安全连接。我们新颖的网络拓扑结构可轻松扩展到许多用户，允许流量管理功能，并最大限度地减少基础设施以及所需的用户硬件。
2020-09-11 quant-ph
A Quantum-Memory-Free Quantum Secure Direct Communication Protocol Based on Privacy Amplification of Coded Sequences
Georgia Institute of Technology（佐治亚理工学院）；Qualcomm Technologies Inc.（高通技术有限公司）
本文提出一种无需传统量子密钥分发协议和一次性垫的量子安全直传协议，通过编码序列的隐私放大理论提升安全性。
2026-05-01 quant-ph
High-speed phase-encoded quantum secure direct communication over 11.4 km heterogeneous free-space and fiber links
Beijing Academy of Quantum Information Sciences（北京量子信息科学研究院）；State Key Laboratory of Low-dimensional Quantum Physics and Department of PhysicsTsinghua University（清华大学低维量子物理国家重点实验室和物理系）；Frontier Science Center for Quantum Information（量子信息前沿科学中心）；Beijing National Research Center for Information Science and Technology（北京信息科学与技术国家研究中心）
本研究展示了在11.4公里异质自由空间和光纤链路上实现高速相位编码量子安全直通通信，验证了相位编码在自由空间量子网络中的可行性，并实现了跨介质的无缝互操作性。
2026-02-06 quant-ph
Free-space and Satellite-Based Quantum Communication: Principles, Implementations, and Challenges
Massachusetts Institute of Technology（麻省理工学院）；Boston University（波士顿大学）；Tel Aviv University（特拉维夫大学）；Texas A&M University（德克萨斯农工大学）；Indian Institute of Technology Delhi（德里印度理工学院）；University of Melbourne（墨尔本大学）；ZTE Corporation（中兴通讯）
本文综述了卫星量子通信的原理、实现与挑战，探讨了离散变量和连续变量技术的优劣，并分析了大气湍流和量子中继器等关键问题，为全球量子互联网的发展提供方向。
2026-02-01 cs.CR physics.ins-det physics.optics
Eavesdropping on the "Ping-Pong" Quantum Communication Protocol Freely in a Noise Channel
我们介绍了一个攻击方案窃听的乒乓量子通信协议提出的Bostr $\ddot{o}$ m和Felbinger [物理。\textbf{89}，187902（2002）]在噪声信道中自由地进行。邪恶的窃听者夏娃拦截并测量了发送者和接收者之间传输的旅行光子。然后，她将量子信号替换为处于相同状态的多光子信号，并使用Eve准备假信号的测量基础测量光子返回，除了一个光子。这种攻击既不增加量子信道的损耗，也不增加用于窃听检测的采样实例的误码率。它的工作原理是窃听乒乓协议传输的秘密消息。最后，我们提出了一种提高乒乓协议安全性的方法。
2007-05-15 quant-ph
Free space quantum communication with a portable quantum memory
实现本质上安全并长距离运行的基本量子网络需要将执行不同任务的几个量子模块互连。在这项工作中，我们报告了四个不同的量子模块的互连：（i）一个随机偏振量子比特发生器，（ii）一个自由空间量子通信信道，（iii）一个超低噪声便携式量子存储器和（iv）一个量子比特解码器，在一个功能性的基本量子网络拥有量子信息分发协议所需的所有能力。我们在单光子水平上以随机序列产生编码偏振态$|H\rangle, |V\rangle, |D\rangle, |A\rangle$的弱相干脉冲。随机量子比特通过自由空间链路发送，并耦合到双轨室温量子存储器中，存储和检索后，在类似于BB84协议要求的四检测器偏振分析中进行分析。我们还展示了超低噪声和完全便携式操作，为存储器辅助的全环境自由空间量子密码网络铺平了道路。
2017-06-04 quant-ph
Limits and Security of Free-Space Quantum Communications
自由空间量子通信的研究需要量子信息理论、光学和湍流理论等工具。在这里，我们结合这些工具来约束通过自由空间链路的密钥和纠缠分发的最终速率，其中量子系统的传播通常受到衍射，大气消光，湍流，指向误差和背景噪声的影响。除了建立最终的限制，我们还表明，一个合适的（导频引导和后选择）的相干态协议实现的可组合的密钥速率是足够接近这些限制，因此，显示适合的自由空间信道的高速率量子密钥分发。我们的工作提供了分析工具，用于评估在一般条件下的相干状态协议的组合有限大小的安全性，从一个稳定的通信信道的标准假设（如典型的基于光纤的连接），一个衰落信道的更具挑战性的情况下（如典型的自由空间链路）。
2021-05-06 cond-mat.other physics.ao-ph physics.app-ph
Preparation-Attack-Immune Quantum Secure Direct Communication Using Two-Fold Photon Degree of Freedom
近年来，增强设备攻击漏洞的安全性在理论上具有挑战性，但在量子密码通信中也具有重要的实际意义。为了在一般和严格的情况下解决这个问题，我们设计了一种全新的线性光量子安全直接通信（QSDC），我们称之为“抗干扰攻击QSDC”。“我们解决的是，在我们的“天真”的分析，这是相当可怕的提取，即使是一段信息的秘密消息，任何恶意窃听企图将不成功。最显著的特点是，即使在一个强大的窃听者可以窥视所有的准备设备设置的情况下，我们的协议仍然保持了高水平的安全性，而无需调用任何额外的资源和物理属性。我们称之为“消除攻击免疫力”的新优势来自于同时使用单光子中涉及的两个自由度（偏振和空间模式），这使得人们能够忠实地处理单光子量子叠加性质。我们的想法可以推广到其他基于单光子的协议。
2017-04-05 quant-ph
Fading channel estimation for free-space continuous-variable secure quantum communication
研究了波动信道的估计及其对连续变量量子密钥分发安全性的影响。我们提出了一种新的估计方案，这是基于聚类的估计透射率数据。我们表明，不确定性是否是固定的透射率或不导致较低的关键速率。然而，如果测量的总数是大的，可以使用我们的方法获得类似于非波动信道的关键速率，即使对于高度波动的信道。我们还使用大气量子信道的实验数据验证了我们的理论假设。因此，我们的方法是有前途的强波动湍流大气信道上的安全量子通信。
2020-11-09 quant-ph
A low-noise single-photon detector for long-distance free-space quantum communication
我们建立和测试的基础上，硅雪崩光电二极管Excelitas 30902 SH热电冷却到-100度的单光子探测器。C.该探测器暗计数率小于1Hz，光敏面积直径为500 μ m，光子探测效率约为50%，后脉冲小于0.35%，时间抖动小于1 ns。这些特性使其适合于长距离自由空间量子通信链路，我们简要讨论。我们还报告了一种改进的方法，我们称之为长时间后脉冲分析，用于确定和可视化在不同温度下的长陷阱寿命。
2021-12-08 physics.ins-det quant-ph
Decoherence-Free Communication over Multiaccess Quantum Channels
在本文中，我们考虑多址接入和$k$ -用户量子信道的消相干自由通信。首先，我们集中在一个厄米酉噪声模型$U$的两个访问双酉信道，并表明，在这种情况下，存在一个消相干的代码，如果施密特矩阵的空间的特征子空间的$U$表现出一定的可分解性。然后，我们表明，我们的技术也适用于一般的随机酉两址信道。最后，我们考虑了结果的适用性的情况下，一个更大的数量的非线性和一般的Kraus运营商。
2021-12-30 math-ph math.MP quant-ph
Analysis of atmospheric effects on satellite based quantum communication: A comparative study
量子密钥分发（QKD）是在自由空间光链路和光纤电缆上实现的密钥交换协议。当直接通信不可能时，QKD通过光纤电缆执行，但是在接收器侧使用的检测器的缺陷以及光纤电缆的材料特性限制了长距离通信。基于自由空间的量子密钥分发不受这些限制，可以为基于卫星的量子通信建立一个全球性的秘密信息共享网络铺平道路。为了实现自由空间光通信，必须研究大气湍流的影响。在这里，分析了基于卫星的量子通信使用QKD协议。结果表明，SARG 04协议是星载量子通信的有效途径。
2019-03-13 cs.IT math.IT quant-ph
Quantum Remote Entanglement for Medium-Free Secure Communication?
目前的量子通信主要依赖于可信中继（例如，量子中继器、低地球轨道卫星）通过光纤电缆连接以传输信息。然而，最近的证据支持了一个几十年前的概念，即当前量子通信系统所利用的量子纠缠不一定依赖于物理中继介质。在现代量子通信网络中，这种可信中继基础设施（1）容易受到安全攻击，（2）受到信道容量的限制，（3）受到退相干损失，以及（4）建立昂贵。量子通信中量子纠缠的瞬时性和超光速行为暗示了量子纠缠具有一定的非定域性。相反，无论是地面中继还是空间中继都没有表现出或被证明体现它。本文提出，量子理论的非定域性支配着量子纠缠;作为普适量子体的组成部分，基本粒子可以实现远程纠缠，而不管物理介质或空间邻近性如何。给出了支持超导量子系统中远程纠缠的证据和理论（特别是用于通信的纠缠态）。其中一种粒子，光子，代表量子信息的基本单位，量子位$|ψ\rangle = α|0\rangle + β|1\rangle$，由复数$(α, β)$中具有无限精度的实连续值组成。这些值$(α, β)$可以说明量子比特的独特性，并产生可能支持远程纠缠的身份$QuID$。通过在量子电路上运行模拟和实际量子计算，提出了实现无介质安全量子通信的新方法。
2022-02-02 cs.ET quant-ph
