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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
利用参量放大器辅助零差检测测量连续变量量子纠缠
传统的测量爱因斯坦-波多尔斯基-罗森型连续变量量子纠缠的方法依赖于平衡零差检测，而平衡零差检测对由于探测器量子效率、被检测场与本振模式失配等因素引起的损耗耦合进来的真空量子噪声非常敏感。本文提出并分析了一种利用高增益相敏参量放大器辅助平衡零差检测实现的测量方法。相敏放大器的使用有助于解决因检测损耗引起的真空量子噪声。此外，由于高增益相敏放大器可以耦合两种不同类型的场，因此所提方案仅使用一次平衡零差检测便可揭示两种不同类型场之间的量子纠缠。进一步分析表明，在多模情况下，所提方案也优于传统方法。这种测量方法在涉及连续变量测量的量子信息和量子计量学中有着广泛的应用。
基于局部本振混合线性放大器的连续变量量子密钥分发
量子密钥分发 (QKD) 在存在潜在窃听者的情况下，为可信通信双方 (Alice 和 Bob) 提供了一种由量子力学保证的密钥共享方法 [1–3]。目前，有两种密钥分发方法：离散变量 (DV) QKD [4,5] 和连续变量 (CV) QKD [6–9]。其中，CVQKD 有两个主要优点。一方面，它避免了单光子计数的缺点。另一方面，它确保了标准光通信器件的兼容 [10,11]。CVQKD 的无条件安全性已经在信息论中在渐近情况 [12,13] 和有限尺寸范围内 [14–16] 得到证实，以抵御一般的集体窃听攻击。用于相干检测的强本振（LO）作为CVQKD系统的重要组成部分，可作为滤波器有效抑制噪声，但实际CVQKD系统的不完善之处导致存在潜在漏洞，危及通信系统的安全。由于Eve通过操纵LO进行截取-重发攻击，因此几乎所有的攻击都与LO有关[17-21]。例如，基于本地本振（LLO）的CVQKD系统通过将LO直接发送到接收端来防止LO相关攻击[22-25]。目前CVQKD的传输距离与离散变量系统相比有限，不适合长距离分布。在检测过程中，备受瞩目的无噪声线性放大器（NLA）是一种很好的工具，可以在保持较低起始噪声水平的同时增强相干态的幅度[26-29]。近年来，该装置的实用性已得到证实，为理论提供了令人信服的证据[30–35]。此外，在Bob的正交测量中，与实际探测器相关的缺陷导致了密钥速率限制[36]。为了弥补这一弱点，光放大器补偿技术提供了一种可行的解决方案，在特定情况下也可以提高传输距离[37–39]。本文提出了一种基于LLO的CVQKD方案，通过在检测端放置HLA，它由基于预测测量（MB）的NLA和基于NLA的NLA组成
非线性耦合连续变量二分系统的量子经典熵分析
摘要：对应原理在量子力学中起着基础性作用，这自然会促使我们探究是否有可能在相空间中找到或确定量子态的接近经典类似物——这是经典和量子密度统计描述符的共同交汇点。本文通过研究在去除与给定纯量子态相关的 Wigner 分布函数所显示的所有干扰特征后出现的经典类似物的行为来解决此问题。因此，在两个四次振荡器在规则和混沌条件下非线性耦合的情况下，对连续变量二分系统进行线性和冯诺依曼熵的动态演化数值计算，并与相应的经典对应物进行比较。考虑了整个系统的三个量子态：高斯态、猫态和贝尔态。通过比较量子和经典熵值，特别是它们的趋势，表明这些熵不是纠缠产生，而是为我们提供有关系统（量子或经典）离域的信息。这种信息的逐渐丢失意味着量子和经典领域的增长，这与双方自由度之间相关性的增加直接相关，在量子情况下，这通常与纠缠的产生有关。
利用量子剪刀实现长距离连续变量量子密钥分发
量子密钥分发 (QKD) [1–3] 解决了两个用户之间共享密钥的问题。此类密钥可用于安全通信。尽管原始 QKD 协议 [2–5] 依赖于在离散量子态（如单光子的偏振）中对经典信息比特进行编码，但人们也可以利用连续变量 QKD (CV QKD) 协议，其中比特在光的正交相位上进行编码 [6–9]。尤其是，CV QKD 系统的最新进展使其与传统的离散变量系统 [10, 11] 处于竞争地位。例如，与需要单光子探测器的离散变量 QKD 协议相反，CV QKD 使用相干测量方案（如同差和/或异差检测）来测量光正交相位，与高速率相干电信系统兼容 [12–14]。此外，与大都市区域相比，CV QKD 协议在短距离内是更好的选择 [11]。然而，一旦涉及长距离，CV QKD 就有其自身的挑战来与离散变量 QKD 竞争 [15]。本文研究了如何通过使用现实的非确定性放大来增强 CV QKD 系统中的安全距离 [16]。提出的提高 CV QKD 协议速率与距离性能的解决方案之一是使用无噪声线性放大器 (NLA) [16，17]。众所周知，确定性放大不可能无噪声 [18]。NLA 只能以概率方式工作。这不可避免地会将密钥速率降低一个与 NLA 成功率相对应的倍数，这意味着，在短距离内，使用 NLA 可能没有好处。然而，由于信噪比的提高，密钥率可能会在长距离上增加。也就是说，虽然我们可用于密钥提取的数据点数量较少，但其余点的质量也可能很高，这样就可以提取出更多的密钥位。这已在理论上得到证明，方法是将 NLA 视为一个概率性的、但无噪声的黑匣子，其中成功概率的上限为 1 /g 2，其中 g 是放大增益 [16]。当我们将上述理想的 NLA 替换为提供类似 NLA 功能的现实系统时，情况可能会大不相同。
量子比特和连续变量量子库计算中非线性的分析证据
复杂网络是社会、生物、物理和工程系统中的重要范式，用于理解新兴行为、弹性、可控性、影响力和传输等多种现象 [1-11]。人们广泛关注的一个问题是复杂网络中的信息动力学，以了解传播、存储和处理等方面 [12]。经典系统中已经考虑了这些方面，突出的例子包括万维网、大脑和机器学习中的神经网络。近年来，人们还探索了基于量子系统设计网络的可能性 [13,14]。据报道，复杂网络在量子通信 [15,16]、量子生物学 [17-19] 和新兴量子现象 [20-25] 中都有应用。在这些情况下，网络链接可以通过 (量子) 节点之间的相干耦合 [ 26 – 32 ] 以及通过量子关联 [ 21 ， 33 ， 34 ] 或传输信号 [ 35 – 37 ] 来建立，重点是高效、安全的能量和信息传输以及新出现的复杂现象。最近，人们也开始探索量子网络处理信息的能力。通过结合神经网络的性质和量子领域独有的特征，量子神经网络有望比经典神经网络提供多种优势，例如有效维度更高、内存容量呈指数级增长，以及训练和学习速度更快 [ 38 ， 39 ]。在此背景下，最近还提出了基于量子比特网络将储存器计算 (RC) 扩展到量子领域的首个提案 [ 40 ]。 RC 是一种三层（循环）神经网络，特别适合解决时间任务 [41]。近年来，经典 RC [41-43] 的几种实现已在光子学、自旋电子学、力学和生物系统 [44-53] 中得到实现。众所周知，通过利用高维物理系统、内部存储器和非线性，RC 可以实现良好的性能 [41,54]。至于系统规模，可以在经典系统中考虑大型储存器网络，或者在量子系统中作为一种有前途的替代方案。事实上，对于量子网络，即使节点数量减少也能显示出巨大的希尔伯特空间，这是扩展 RC 的主要动机之一
双节点簇态连续变量量子混合计算的误差修正：压缩极限
本文研究了在连续变量量子计算过程中获得的通用高斯变换的误差校正。我们试图使我们的理论研究更接近实验中的实际情况。在研究误差校正过程时，我们考虑到资源 GKP 状态本身和纠缠变换都是不完美的。实际上，GKP 状态具有与有限压缩程度相关的有限宽度，并且纠缠变换是有误差的。我们考虑了一种混合方案来实现通用高斯变换。在该方案中，变换是通过对簇状态的计算来实现的，并辅以线性光学操作。该方案在通用高斯变换的实现中给出了最小的误差。使用这种方案可以将实现接近现实的容错量子计算方案所需的振荡器压缩阈值降低到 -19.25 dB。
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) 使两个远程方能够以基于量子物理定律的信息论安全性进行密钥交换。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显著复杂为代价的。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个称为 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 能够用于促进 CV-QKD 的进一步实验进展，并由社区进行改进和扩展，以在各种配置中实现高性能。
![arXiv:2111.13218v2 [quant-ph] 2022 年 12 月 10 日](/simg/g:\will\search\icon\source\9\99955b53a2371ca68409f58952f3b9fba3f036dc.webp)
arXiv:2111.13218v2 [quant-ph] 2022 年 12 月 10 日
量子计算机有望比传统计算机实现显著的加速。然而，识别出实现这些加速的固有量子特性却是一项挑战。在连续变量设置中——实现通用、可扩展和容错量子计算的有前途的范例——语境性和维格纳负性被视为两种截然不同的资源。在这里，我们表明它们实际上是连续变量量子计算的标准模型的等价物。虽然我们的结果为量子加速提供了连续变量资源的统一图景，但它们也为连续变量语境性的实际演示铺平了道路，并阐明了负概率在量子力学相空间描述中的重要性。
考虑有限尺寸效应的被动连续变量量子密钥分发的安全性分析
摘要：对一种考虑有限尺寸效应的被动连续变量量子密钥分发（CV-QKD）协议进行了安全性分析。在被动 CV-QKD 方案中，Alice 利用热源被动制备量子态，无需高斯调制。利用这种技术，可以精确制备量子态以匹配高传输速率。这里，考虑了渐近状态和有限尺寸状态以进行比较。在有限尺寸场景中，我们说明了被动 CV-QKD 协议抵御集体攻击的能力。仿真结果表明，被动 CV-QKD 协议在有限尺寸情况下的性能比渐近情况下的性能更悲观，这表明有限尺寸效应对单模被动 CV-QKD 协议的性能有很大影响。然而，通过提高热态的平均光子数，我们仍然可以在有限尺寸范围内获得合理的性能。