[发明专利]基于芯片集成光路的高维复用量子通信方法、系统及存储介质

说明书

本发明公开了一种基于芯片集成光路的高维复用量子通信方法，在量子信息编码过程中，将光量子的多个光学自由度依次复用，并在每个光学自由度基础上实现多位量子比特编码；通过多芯光纤或多纤光缆进行高维复用量子信息的传输；通过相应的高维复用量子信息解码系统进行解码并通过单光子探测器阵列实现量子信息的探测分析。在实现高维复用量子通信系统的过程中，采用芯片集成光路的技术方案，利用芯片集成光路的低功耗、低损耗、高稳定性、高光学性能等优点，实现高维复用量子通信系统的全芯片集成。本发明利用了光学自由度之间的相对独立性和单个光学自由度可密集编码特性，在传统单维量子通信系统的基础上实现了量子信息速率的提升，有望推动量子通信技术的小型化、普及化、高速化工程应用。

技术领域

本发明属于微纳光电子、量子通信技术领域，具体是指一种利用芯片大规模集成光路实现高维复用量子通信协议的量子通信方法、系统及存储介质。

背景技术

量子通信技术，基于海森堡测不准原理、量子态不可复制原理、量子态不可分离原理，是目前公认的能够实现“无条件安全”的通信技术。量子通信技术按照工作原理可分为量子隐形传态通信技术和量子密钥分配技术。量子隐形传态通信技术是指利用纠缠量子态的超距作用实现信息的瞬间安全传输，其基本原理可概述为：通信双方共享一组纠缠量子态并进行测量；通信双方在公开信道上公布测量结果；通过测量结果匹配确定通信内容；窃听者无法知悉双方的测量结果，因而无法窃听信息内容。量子密钥分配技术是指通过量子态的随机特性定义一组量子密钥，对经典通信信号进行加密/解密以实现信息安全传输的技术，其基本原理可概述为：通信发送方通过量子信道将量子密钥母本传送给接收方；接收方通过测量确定有效密钥并将测量手段等信息(并非密钥内容)回传给发送方；发送方利用有效密钥对经典通信信号进行加密并通过经典信道传送给接收方；接收方利用有效密钥对经典通信信号进行解密并获得信息内容；窃听者可以截获加密经典通信信号，但因无法知悉有效密钥的具体内容而无法获取具体信息。

受限于高速率纠缠量子态制备等因素，量子隐形传态通信技术目前尚处于初级研究阶段；受限于高速量子态制备等因素，量子密钥分配技术普遍采用的技术路线是：通过量子态随机特性定义量子密钥池，使用量子密钥加密经典密钥，通过经典密钥和经典通信信号的逐位异或实现信息的加密传输，上述过程也可称为通信信号的电域变换。由此可以看出，量子隐形传态通信技术、量子密钥同经典信号直接逐位异或的全量子变换技术都受限于量子信息速率瓶颈。以基于单光子的量子密钥分配为例，量子信息速率受到单光子光源重复频率、量子信息编码效率、量子信道传输效率、量子信息解码效率、单光子探测效率等各方面因素制约，很难同时兼顾大容量、高安全、长距离无中继等通信需求。

现阶段研究结果显示，进一步大幅提升单光子光源重复频率、单光子探测器探测效率的技术难度较大，同时，特定距离量子信道的传输效率很难有更大程度上的提升。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，解决现阶段普遍采用的单一自由度、低维量子通信协议面临的量子信息速率瓶颈，通过多自由度复用、高维编码量子通信协议成倍提升量子信息速率；针对实现高维复用量子通信协议所需光路对复杂度、稳定性、高效性等方面的严苛需求，提出利用芯片大规模集成光路和光电混合集成技术实现全芯片量子通信系统的技术路线。

为了解决上述问题，本发明提出了一种基于芯片集成光路的高维复用量子通信方法，包括：

步骤一、在量子信息编码和解码过程中，单个光量子的多个光学自由度均作为编码内容参与编码，且在同一光学自由度上编译多位量子比特；

步骤二、采用芯片集成光路的技术路线实现量子信息解码；

步骤三、采用多芯光纤或多纤光缆进行量子信息的传输。