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当前技术无法实现没有可信节点的长距离 QKD
引言如今，点对点量子密钥分发 (QKD) 已经成为商业现实。商用 QKD 系统的范围通常在光纤上为 100 公里。学术系统和新协议可以达到数百公里 1、2。中国墨子号卫星已经展示了与低地球轨道卫星的自由空间 QKD 链路 3。然而，单个点对点链路的范围仍然受到链路功率损耗的限制 4。为了扩展 QKD 的实际应用，有必要将范围扩展到全球 QKD 并提供更复杂的网络拓扑 5。随着量子中继器等新技术的出现，这种扩展的多功能性可以通过所谓的可信节点 (TN) 6 实现。在 TN 中，量子信号被测量并转换为经典信号。生成一个新的经典信号，转换为量子，然后发送到下一个节点。 TN 可用作中继，提供长距离 QKD，也可用作交换机，提供复杂的拓扑 5 。然而，由于 TN 包含经典信号，原则上可以被复制，因此 TN 内不存在量子安全性。必须信任 TN 并对其进行物理保护，以避免数据泄露 5 。因此，出于安全目的，TN 代表了完整的端到端 QKD 传输中的薄弱环节。在本文中，术语“长距离 QKD”是指全球 QKD，即在地球上任意两点之间部署和实施 QKD 的能力。最近，英国知识产权局向 Arqit Ltd. 公司授予了专利号 GB2590064（https://www.ipo.gov.uk/p-ipsum/Case/PublicationNumber/GB2590064）我们还将本专利中描述的协议称为 ARQ19 协议。本专利旨在提供没有 TN 的长距离 QKD。根据这些说法，现在可以使用不受信任的卫星实现全球 QKD。这将改变 QKD 的游戏规则。因此，调查这些说法显然很重要。不幸的是，据我们所知，它们尚未在任何科学期刊上通过随附的公开披露得到验证。因此，我们的分析基于已发布的 ARQ19 专利和 Arqit 在美国证券交易委员会 (SEC) 提交的 20-F 年度报告 (https://www.sec.gov/Archives/edgar/data/0001859690/000110465921150276/arqq-20210930x20f.htm)。本报告将
主题：长基线量子隐形传态：迈向地月距离 主要作者：Thomas Jennewein 量子计算研究所和 Dep
I. 简介 深空量子网络最重要的先决条件之一是能够在大基线上进行量子隐形传态和纠缠交换。将这一真正基本的量子协议扩展到地球-月球距离将扩大量子力学的有效性测试，并作为量子网络的先驱，可用于深空任务中的传感、安全通信、密集编码和量子计算机互连。迄今为止，只有长基线被动隐形传态（Pirandola2015）在长距离上得到了演示，包括进入太空（Ren 等人，2017）。在本白皮书中，我们讨论了通过深空量子链路 (DSQL) 合作（Mohageg2018）发起的超越行星尺度的完整量子隐形传态的实现。我们建议通过将地面接收器（或国际空间站 - ISS）与月球网关连接起来，在地球-月球距离范围内进行隐形传态演示。量子态隐形传态 (Bennett1993) 是一个独特的非经典概念，因为它使用两个通道将未知的量子态完美地从一个系统转移到另一个系统：最大纠缠态和经典信号。第一步是建立纠缠光子的长距离分布，如图 1(a) 所示，在太空中远距离分布，如墨子号任务所示，该任务通过快速变化分析仪在不同地面站点测量光子，在 1200 公里外进行了贝尔测试。量子隐形传态利用这种远程纠缠，如下所示 (Bouwmeester1997)：首先，Charlie 生成一对纠缠光子 [图 1(b) 中的光子 A 和 B]，A 发送给 Alice，B 发送给 Bob。 Alice 对光子 A 和另一个光子 C 携带的未知量子态联合进行贝尔态测量 (BSM) (Weinfurter1994、Mattle1996、Casmaglia2001)，从而将她的两个光子投射到纠缠态中。这个 BSM 会将 Bob 的光子 B 投射到四种可能的状态之一，具体取决于 BSM 的结果。与此同时，Bob 必须在光子 B 到达量子存储器后将其保留，直到他通过经典信道收到 Alice 的 BSM 结果，然后他使用该结果应用幺正运算以完全恢复原始输入状态。请注意，Alice、Charlie 和 Bob 都不会获得有关输入状态的任何知识，并且最终的幺正变换仅取决于（随机）BSM 结果，因此该协议完全遵循量子无克隆 (Wooters1982)。
叶俊 - JILA - 科罗拉多大学博尔德分校
叶俊 现任职位 美国商务部国家标准与技术研究所研究员 JILA 研究员，科罗拉多大学博尔德分校 JILA 和物理系兼职教授 网址：https://jila.colorado.edu/Yelabs，电话 303-735-3171，电子邮箱 Ye@jila.colorado.edu 教育背景 科罗拉多大学物理学博士，1997 年；新墨西哥大学物理学硕士，1991 年； 1989 年，上海交通大学应用物理学学士 荣誉与奖项 2024 年，斯德哥尔摩莉泽·迈特纳杰出讲座和奖章 科睿唯安/汤森路透，高被引研究人员（前 1%），每年从 2014 年到 2023 年 上海交通大学数学与物理科学远见奖，2023 年 美国商务部金牌（光学原子钟），2022 年 美国国防部 Vannevar Bush 奖学金，2022 年 德国物理学会 (DPG) 和 OPTICA (OSA) Herbert Walther 奖，2022 年 尼尔斯·玻尔研究所荣誉勋章，2022 年 基础物理学突破奖（与 H. Katori 共享），2022 年 Julius Springer 应用物理学奖，2021 年 墨子量子奖（与 C. Caves 和 H. Katori 共享）， 2020 美国物理学会（APS）诺曼·F·拉姆齐奖，2019 美国商务部金牌（原子钟网络），2019 II IEEE 拉比奖，2018 中国科学院外籍院士，2017 美国国家标准与技术研究所雅各布·拉比诺奖，2017 总统等级奖（美国），杰出，2015 美国商务部金牌（光学原子钟），2014 落基山鹰奖，2014 戈登和贝蒂·摩尔基金会研究员奖，2013 美国国家科学院院士，2011 年；澳大利亚科学院 Frew 研究员，2011 年 美国商务部金牌（超冷分子），2011 年 欧洲频率和时间论坛 (EFTF) 奖，2009 年 加州理工学院 Gordon 和 Betty Moore 杰出学者，2008 年 美国物理学会 (APS) II Rabi 奖，2007 年 德国卡尔蔡司研究奖，2007 年 美国光学学会 (OSA) William F. Meggers 奖，2006 年 美国国家标准与技术研究所 Samuel Wesley Stratton 奖，2006 年 德国亚历山大·冯·洪堡基金会 Friedrich Wilhem Bessel 研究奖，2006 年 美国光学学会研究员，2006 年 一等奖（技术创新），Amazing Light: Vision for Discovery (CH Townes)，2005 年 美国物理学会研究员，2005 年 Arthur S. Flemming 奖（美国联邦政府科学类），2005美国商务部国家标准与技术研究所研究员，2004 年 总统早期职业科学家和工程师奖，2003 年《技术评论》杂志的 TR100 青年创新者，2002 年 美国商务部金奖（光频率梳），2001 年 美国国家工程院工程前沿研讨会奖，2000 年 美国光学学会（OSA）阿道夫·隆奖章，1999 年 RA 密立根奖奖学金，加州理工学院，1997 年 - 1999 年 大学奖学金，科罗拉多大学博尔德分校，1993 年 - 1994 年 银光奖（优秀本科生奖），荣誉毕业生，交通大学，1987-89 年 命名讲师和教授职位 安娜·I·麦克弗森讲座，麦吉尔大学 2025 年；亚历克斯·达尔加诺讲座，哈佛大学 2024 年；理查德·B·伯恩斯坦讲座，威斯康星大学 2023 年；汉斯·詹森讲座，海德堡大学 2023 年；杰克·穆努希安