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自由空间信道中连续变量测量设备独立的量子密钥分发
量子密码术 [1] 是最古老的量子技术之一，已成为应对量子计算机挑战的杰出候选技术 [2]。尤其是量子密钥分发 (QKD)，其发展速度非常快，其最终目标是使远距离用户能够共享一个密钥，该密钥必须无法被窃听者获知，从而提供高度安全的加密。QKD 系统面临的关键挑战包括通信系统中的信道损耗和噪声水平。这是影响 QKD 性能及其实现的两个主要障碍，尤其是在长距离传输中 [3]。直到最近，光纤一直是研究和实验大多数 QKD 协议的主要平台。但它们的长距离安全距离有限，主要是因为光纤链路的透射率呈指数衰减。一般来说，有两种解决方案可以克服这一限制：使用量子中继器[4-10]或使用自由空间和卫星链路[11-17]。当前基于地面光纤的量子通信系统的覆盖范围仅限于几百公里[18]，而我们似乎即将建立全球量子通信网络，即量子互联网[19,20]。因此，最近的研究引起了人们对星载 QKD 和空间量子通信的浓厚兴趣[17]，旨在了解自由空间、高空平台站（HAPS）系统和卫星链路如何帮助突破当前的距离限制，同时保证实现量子安全。人们已经取得了重要进展，特别是在单向空间量子通信的极限和安全性方面[21-23]，结果表明，秘密比特可以在湍流大气中安全地分发，无论是弱湍流还是强湍流[24]。在 QKD 科学的另一个不同分支中，独立于测量设备 (MDI) 的 QKD [25,26]（相关实验另见参考文献 [27-29]）是放宽典型点对点 QKD 协议中的信任假设的最有趣和研究最充分的方案之一。更准确地说，在 MDI 中，人们不需要假设将在他们之间分发密钥的合法方的检测设备是可信的。这是因为据称不受信任的第三方
基于卫星的纠缠分布和具有连续变量的量子隐形传态
卫星量子通信的进步旨在通过提高传输信息的安全性来重塑全球电信网络。在这里，我们研究了大气湍流对地面站和卫星之间光学区域中连续变量纠缠分布和量子隐形传态的影响。更具体地说，我们研究了在下行链路和上行链路场景中，由于分布中的各种误差源（即衍射、大气衰减、湍流和探测器效率低下）导致的纠缠退化。由于使用这些分布式纠缠资源的量子隐形传态协议的保真度不够，我们包括一个中间站，用于状态生成或光束重新聚焦，以分别减少大气湍流和衍射的影响。结果表明，在低地球轨道区域的下行链路中，自由空间纠缠分布和量子隐形传态是可行的，但在中间站的帮助下，在上行链路中也是可行的。最后，完成恶劣天气条件下微波光学比较研究，以及地地和卫星间量子通信水平路径研究。
QOSST：用于实验性连续变量量子密钥分发的高度模块化开源平台
量子密钥分发 (QKD) 使两个远程方之间能够进行密钥交换，其信息论安全性植根于量子物理定律。将密钥信息编码为连续变量 (CV)，例如光相干态的正交分量的值，使实现更接近标准光通信系统，但这是以低信噪比操作所需的数字信号处理技术的复杂性为代价的。在这项工作中，我们希望通过提供高度模块化的开源软件来降低与此困难相关的 CV-QKD 实验的进入门槛，该软件原则上与硬件无关，可用于多种配置。我们使用带有本地生成的本地振荡器、频率复用导频和 RF 异差检测的实验装置对这款名为 QOSST 的软件进行了基准测试，并在渐近极限下获得了城域距离上 Mbit/s 数量级的最先进的密钥速率。我们希望 QOSST 可用于促进 CV-QKD 的进一步实验进展，并由社区改进和扩展，以在各种配置中实现高性能。
具有后选择的连续变量测量装置独立量子会议
分析了一种连续变量 (CV)、独立于测量设备的 (MDI) 量子密钥分发 (QKD) 协议，该协议使三方能够连接进行量子会议。我们在不受信任的中继器上利用广义贝尔检测和后选择程序，其中远距离各方根据其准备好的相干态的正交位移的符号进行协调。我们推导出集体纯损失攻击下的协议速率，与等效的非后选择协议相比，该协议的速率距离性能有所提高。在所有各方与中继器距离相同的对称配置中，我们发现 6 公里内的密钥速率为正。这种后选择技术可用于提高长距离多方量子会议协议的速率，但代价是短距离性能降低。
连续变量量子密钥分发的可组合安全性：有线和无线网络中的信任级别和实际密钥率
连续变量 (CV) 量子密钥分发 (QKD) 为安全量子通信提供了强大的环境，这要归功于使用室温现成的光学设备并且有可能达到比标准离散变量对应物高得多的速率。在本文中，我们提供了一个通用框架，用于研究在各方经历的损失和噪声的不同信任级别下，使用高斯调制相干态协议的 CV-QKD 的可组合有限尺寸安全性。我们的论文考虑了有线（即基于光纤）和无线（即自由空间）量子通信。在后一种情况下，我们表明在具有固定和移动设备的安全量子网络中，短距离光学无线 (LiFi) 可以实现高密钥速率。最后，我们将研究扩展到微波无线 (WiFi)，讨论 CV-QKD 在极短距离应用中的安全性和可行性。
离散调制的连续变量量子密钥分布的安全性
连续可变量子密钥与离散调制具有可能使用广泛可用的光学电源和现有的电信基础来提供信息理论安全性的潜力。尽管其实施比基于高斯调制的协议要简单，但证明其针对连贯攻击的有限尺寸安全性带来了挑战。在这项工作中，我们证明了有限尺寸的安全性，以针对涉及四个相干状态和杂化检测的离散调制量子键分配协议的共同攻击。要这样做，与大多数现有方案相反，我们首先将所有连续变量分解为协议期间的所有连续变量。这使我们可以使用熵累积定理，该工具以前已在离散变量的设置中使用，以结构有限尺寸的安全性证明。然后，我们通过半准编程计算相应的有限键速率，并在光子数截止下计算。我们的分析提供了0范围内的渐近率。1-10 - 4位每回合，用于数百公里的差异，而在有限的情况下，对于实际的参数，我们在n〜10 11回合和几十公里的距离之后获得了10 GBITS的秘密钥匙。
在连续变量量子计算机上模拟量子场论
摘要：我们深入研究了使用光子量子计算来模拟量子力学并将其应用扩展到量子场论。我们开发并证明了一种利用这种连续变量量子计算 (CVQC) 形式来重现任意汉密尔顿量下量子力学状态的时间演化的方法，并证明了该方法在各种潜力下的显著效果。我们的方法以构建演化状态为中心，这是一种特殊准备的量子态，可在目标状态上诱导所需的时间演化。这是通过使用基于测量的量子计算方法引入非高斯运算来实现的，并通过机器学习进行增强。此外，我们提出了一个框架，其中可以扩展这些方法以在 CVQC 中编码场论而无需离散化场值，从而保留场的连续性。这为量子场论中的量子计算应用开辟了新途径。
在连续变量量子计算机上模拟量子场论
我们深入研究了使用光子量子计算来模拟量子力学并将其应用扩展到量子场论。我们开发并证明了一种方法，该方法利用这种连续变量量子计算 (CVQC) 来重现任意汉密尔顿量下量子力学状态的时间演化，并且我们证明了该方法在各种潜力下的显著效果。我们的方法以构建演化状态为中心，这是一种特殊准备的量子态，可在目标状态下诱导所需的时间演化。这是通过使用基于测量的量子计算方法引入非高斯运算来实现的，并通过机器学习进行增强。此外，我们提出了一个框架，其中可以扩展这些方法以在 CVQC 中编码场论而无需离散化场值，从而保留场的连续性。这为量子场论中的量子计算应用开辟了新的途径。
学习连续变量系统的量子态
引言：量子态断层扫描是量子信息学中的一项基本任务，旨在根据实验数据构建未知量子态的经典描述。量子态断层扫描的一个关键问题是：构建一个估计量的经典描述所需的最小样本数（未知状态的副本）是多少，该估计量的迹线距离与真实状态的迹线距离极有可能为 ε 接近？虽然这个问题已经在 qudit 系统中得到了广泛的解决，但对于连续变量 (CV) 系统 [1-3]，例如以无限维希尔伯特空间为特征的玻色子和量子光学系统，这是一个悬而未决的问题。关于 CV 系统量子态断层扫描的文献主要依赖于相空间近似 [4-7]，而相空间近似——至关重要的是——没有提供关于迹线距离（这是量子态之间距离最有意义的概念 [8、9]）的任何严格性能保证。鉴于量子光学平台（以 CV 系统为例）在量子计算、通信和计量等量子技术中发挥的关键作用，文献中的这一空白尤其令人惊讶。我们的工作填补了这一空白，从轨迹距离的角度对 CV 系统的量子态断层扫描进行了详尽的分析。我们分析了三类状态的断层扫描：
离散和连续变量系统的量子计算资源
随着量子技术的出现，信息技术的发展已到达一个关键点，有望实现无与伦比的计算能力和解决问题的能力。基于离散变量和连续变量的量子计算有望有效解决计算上难以解决的问题。离散变量量子计算依赖于有限维希尔伯特空间中编码的量子，而连续变量量子计算则利用谐振子的无限维希尔伯特空间。这两种范式在实现通用性和容错性方面都面临挑战，因此需要探索非高斯性和魔法等资源理论。本论文研究了离散和连续变量系统的量子计算资源，并有助于加深我们对实现不同架构中量子计算潜力所必需的资源的理解。我们研究这些资源理论之间的相互作用，提出新的量词并建立离散和连续变量量子计算之间的联系。