多用戶軌道角動(dòng)量波分復(fù)用qkd網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)及其密鑰分發(fā)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及自由空間通信與量子通信網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域，具體設(shè)及一種多用戶軌道角動(dòng)量 波分復(fù)用QKD網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)及其密鑰分發(fā)方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 傳統(tǒng)密碼技術(shù)的安全性由數(shù)學(xué)上的計(jì)算復(fù)雜度來保證，但隨著目前計(jì)算能力的進(jìn) 步和提高，傳統(tǒng)密碼技術(shù)的安全性受到巨大威脅。而量子密碼技術(shù)的安全性不依賴于計(jì)算 的復(fù)雜度，其安全性W量子力學(xué)的海森堡測(cè)不準(zhǔn)原理和未知量子態(tài)不可克隆原理為依據(jù)。 量子密鑰分發(fā)（如antumKeyDist;ribution，QKD)是W量子力學(xué)基本原理為基礎(chǔ)，讓處于不 同地理位置的合法參與者（通常用Alice和Bob表示）分享密鑰，而且在理論上是具有無 條件安全性的，其調(diào)制解調(diào)的自由度可W是波長(zhǎng)、相位、振幅、強(qiáng)度W及熱點(diǎn)關(guān)注的軌道角 動(dòng)量（OrbitalAngularMomen1:um，0AM)等。
[0003] 研究發(fā)現(xiàn)，光子可W攜帶兩種角動(dòng)量：自旋角動(dòng)量（SpinAngularMomentum,SAM) 和0AM。SAM與光子的圓偏振態(tài)有關(guān)，左旋圓偏振態(tài)IL>和右旋圓偏振態(tài)IR>作為自旋算符 的本征態(tài)，分別攜帶有±拓的SAM，利用光子的SAM只能實(shí)現(xiàn)一個(gè)量子位的編碼（對(duì)應(yīng)一個(gè) 二維希爾伯特空間）；與SAM不同的是，OAM是一個(gè)新的自由度并可W加載數(shù)據(jù)信息。1992 年，荷蘭萊頓大學(xué)的Alien團(tuán)隊(duì)從理論上證明光子中含有確定的軌道角動(dòng)量癡。光的OAM和 復(fù)電場(chǎng)相位角有關(guān)，OAM來源于繞傳播方向的相位波前。一個(gè)光子OAM值為熱對(duì)應(yīng)螺旋形 等相位面，螺旋相位項(xiàng)為expaid))，！為OAM量子數(shù)，1的正負(fù)代表旋轉(zhuǎn)方向不同，d)為 極坐標(biāo)系中的極角。由于1可W取任意整數(shù)，所W單光子有無數(shù)個(gè)OAM正交本征態(tài)，即光 子OAM具有高維特性。因此，若W光子OAM作為信息的載體來編碼信息可W實(shí)現(xiàn)一個(gè)高維 的HHbed空間中多位量子態(tài)編碼（qubits)，能夠顯著增大光子攜帶信息容量，提高編碼 安全性。
[0004] 在量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)中，編碼量子信息的載體可W有兩種類型：?jiǎn)喂庾雍图m纏光 子對(duì)。由于糾纏光子對(duì)之間有較強(qiáng)的糾纏關(guān)聯(lián)，基于光子對(duì)糾纏態(tài)的量子通信具有通信容 量大、保密性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)?，F(xiàn)有技術(shù)中提出了一種點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的自旋-軌道角動(dòng)量混合調(diào)制量子 密鑰分發(fā)方法及系統(tǒng)，每一對(duì)混合自旋-軌道角動(dòng)量糾纏光子對(duì)可W加載超過一個(gè)比特的 編碼信息量，實(shí)現(xiàn)了大容量的量子編碼；并改進(jìn)了基于"相互無偏基"量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)的 編碼方法。另有基于OAM的保密通f目系統(tǒng)，其具有局效、穩(wěn)定和低廉等優(yōu)點(diǎn)，而且進(jìn)一步提 高了OAM的調(diào)制編碼及解碼能力。
[0005] 但上述方案和目前的其它方案基于OAM混合糾纏的量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)多數(shù)是點(diǎn) 對(duì)點(diǎn)的，改進(jìn)和設(shè)計(jì)可擴(kuò)展的多用戶OAM高維編碼量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)就顯得十分重要。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種多用戶軌道角動(dòng)量波分復(fù)用 QKD網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)及其密鑰分發(fā)方法。
[0007] 本發(fā)明的技術(shù)方案是運(yùn)樣實(shí)現(xiàn)的：多用戶軌道角動(dòng)量波分復(fù)用QKD網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，包 括Alice控制端、軌道角動(dòng)量波分（0-W型）復(fù)用單元和Bob用戶端，其中：
[0008] 所述Alice控制端包括混合糾纏產(chǎn)生單元、SAM調(diào)制單元和符合測(cè)量單元，所述混 合糾纏產(chǎn)生單元包括多波長(zhǎng)激光器MW-LD、波長(zhǎng)篩選器WS、BBO晶體、第一單模光纖SMF和 q-plate相位板；所述SAM調(diào)制單元包括半波片HWP、偏振分束器PBS和第S單模光纖SMF; 所述符合測(cè)量單元包括第一單光子探測(cè)器、符合計(jì)數(shù)器和第二單光子探測(cè)器；
[0009] 所述O-W型復(fù)用單元由復(fù)用模塊和解復(fù)用模塊構(gòu)成；
[0010] 所述Bob用戶端包括n個(gè)Bob用戶；
[0011] 所述多波長(zhǎng)激光器MW-LD產(chǎn)生不同波長(zhǎng)的激光脈沖，不同波長(zhǎng)激光脈沖依次輸入 到波長(zhǎng)篩選器WS和BBO晶體中，在所述BBO晶體參量下轉(zhuǎn)換過程產(chǎn)生攜帶不同波長(zhǎng)SAM糾 纏的信號(hào)光和閑置光并分成兩光路：信號(hào)光路和閑置光路；
[0012] 所述信號(hào)光路路線：從所述BBO晶體輸出的n組不同波長(zhǎng)激光脈沖依次輸入到所 述第一單模光纖SMF、半波片HWP、偏振分束器PBS、第S單模光纖SMF、第一單光子探測(cè)器最 后將其探測(cè)結(jié)果輸入到所述符合計(jì)數(shù)器中；
[0013] 所述閑置光路路線：從所述BBO晶體輸出的n組不同波長(zhǎng)激光脈沖依次輸入到所 述q-plate相位板、解復(fù)用模塊；在解復(fù)用模塊處輸入到所述Bob用戶端的n個(gè)Bob用戶中， 然后n個(gè)Bob用戶中輸出后在所述復(fù)用模塊處進(jìn)行匯合，然后再輸入到第二單光子探測(cè)器 中，最后將探測(cè)結(jié)果輸入到所述符合計(jì)數(shù)器中與信號(hào)光路中的探測(cè)結(jié)果進(jìn)行符合測(cè)量。優(yōu) 選地，每個(gè)Bob用戶均包括直角棱鏡、計(jì)算機(jī)控制的空間光調(diào)制器SLM和第二單模光纖SMF; 所述解復(fù)用模塊的信號(hào)輸入到每個(gè)Bob用戶后依次經(jīng)過所述直角棱鏡、計(jì)算機(jī)控制的空間 光調(diào)制器SLM和第二單模光纖SMF然后輸入到所述復(fù)用模塊中匯合。
[0014] 優(yōu)選地，所述計(jì)算機(jī)控制的空間光調(diào)制器SLM與直角棱鏡的斜邊平行放置。
[0015] 多用戶軌道角動(dòng)量波分復(fù)用QKD密鑰分發(fā)方法，包括權(quán)利上述的多用戶軌道角動(dòng) 量波分復(fù)用QKD網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，其包括W下步驟：
[0016] SI.多波長(zhǎng)SAM-OAM糾纏光脈沖產(chǎn)生：多波長(zhǎng)激光器MW-LD產(chǎn)生不同波長(zhǎng)的脈沖， 任一波長(zhǎng)都在BBO晶體的工作波段范圍內(nèi)，根據(jù)合法用戶的通信需要，采用所述波長(zhǎng)篩選 器WS篩選出需要波長(zhǎng)的脈沖，篩選后的脈沖垂直照射BBO晶體，在BBO晶體參量下轉(zhuǎn)換產(chǎn) 生攜帶各種波長(zhǎng)SAM糾纏態(tài)的信號(hào)光和閑置光；其中信號(hào)光路中的第一單模光纖SMF消除 了信號(hào)光路中OAM串?dāng)_的影響；所述閑置光路中q-plate相位板將閑置光中的SAM轉(zhuǎn)化為 0AM，由于糾纏效應(yīng)，獲得了沒有OAM串?dāng)_的多波長(zhǎng)SAM-OAM糾纏光脈沖；
[0017] S2.多波長(zhǎng)糾纏態(tài)的O-W型復(fù)用：所述解復(fù)用模塊用于W波長(zhǎng)尋址的方式將攜帶 各個(gè)波長(zhǎng)混合糾纏態(tài)的閑置光發(fā)送給相應(yīng)的不同Bob用戶；復(fù)用模塊用于W波長(zhǎng)尋址的方 式將不同Bob用戶發(fā)送來的加載信息傳輸?shù)椒蠝y(cè)量單元中的第二單光子探測(cè)器；
[0018] S3.多用戶OAM的調(diào)制：不同波長(zhǎng)的閑置光經(jīng)過所述直角棱鏡改變光路后進(jìn)入到 所述計(jì)算機(jī)控制的空間光調(diào)制器SLM，不同Bob用戶用計(jì)算機(jī)控制的空間光調(diào)制器SLM對(duì)相 應(yīng)波長(zhǎng)閑置光攜帶的OAM進(jìn)行相位偏轉(zhuǎn)調(diào)制加載信息，對(duì)Bobl用戶來說，此時(shí)量子態(tài)為：
，對(duì)Bob2用戶來說，此時(shí)量子態(tài)為： W此類推，對(duì)Bobn用戶來說，此時(shí)量子
，再利用第二單模光纖SMF過濾并輸出 基模高斯模式的閑置光子，發(fā)送至所述O-W型復(fù)用單元中的復(fù)用模塊。 陽02引 S4.多波長(zhǎng)SAM的調(diào)制：所述半波片冊(cè)P和偏振分束器PBS組成SAM調(diào)制器對(duì)不 同波長(zhǎng)的信號(hào)光攜帶的SAM進(jìn)行調(diào)制并將調(diào)制的禪合信號(hào)經(jīng)過第S單模光纖SMF發(fā)送至符 合測(cè)量單元中的第一單光子探測(cè)器；
[0023] S5.多用戶密鑰分配與共享：Alice控制端和Bob用戶端分別通過單光子探測(cè)器記 錄下單位時(shí)間內(nèi)到達(dá)的相同波長(zhǎng)信號(hào)光子和閑置光子，并將記錄下的探測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)送到符合 計(jì)數(shù)器進(jìn)行符合測(cè)量，依據(jù)信號(hào)光子和閑置光子的相位偏轉(zhuǎn)調(diào)制信息，對(duì)于不同波長(zhǎng)的Bob 用戶來說，符合測(cè)量計(jì)數(shù)值滿足關(guān)系式P( 0，X )、OC COS 2(X -0)，根據(jù)符合測(cè)量結(jié)果恢復(fù) 出編碼的密鑰并建立隨機(jī)秘密的序列作為原始密碼，經(jīng)過密鑰篩選和隱私放大獲得安全密 鑰，從而完成多用戶密鑰分配與共享。
[0024] 進(jìn)一步地，所述SI.多波長(zhǎng)SAM-OAM糾纏光脈沖產(chǎn)生步驟中還包括W下步驟： 陽0巧]Sl-L多波長(zhǎng)自旋糾纏對(duì)的產(chǎn)生：多波長(zhǎng)激光器MW-LD產(chǎn)生不同波長(zhǎng)的脈沖， 根據(jù)合法用戶的通信需要，波長(zhǎng)篩選器WS篩選出需要波長(zhǎng)的脈沖，篩選后的脈沖垂直 照射BBO晶體，BBO晶體通過參量下轉(zhuǎn)換產(chǎn)生SAM糾纏的信號(hào)光和閑置光，其量子態(tài)為
其中A代表脈沖的波長(zhǎng)，A和B分別表示信號(hào)光子和閑 置光子，IL〉表不左旋圓偏振態(tài)并攜帶+友的SAM，IR〉表不右旋圓偏振態(tài)并攜帶-A的SAM;
[0026] S1-2.消除OAM的干擾：利用所述單模光纖SMF只允許基模高斯光通過的特性，在 所述信號(hào)光路中，Alice控制端采用第一單模光纖SMF篩選出OAM為零的基模高斯光，由于 糾纏效應(yīng)，從而排除了信號(hào)光和閑置光中可能存在的OAM糾纏所帶來的串?dāng)_；
[0027] S1-3.多波長(zhǎng)混合糾纏態(tài)的產(chǎn)生：在所述閑置光路中，q-plate相位板作用于閑置 光子，將閑置光子中的SAM自由度轉(zhuǎn)化為OAM自由度，由于糾纏效應(yīng)，從而獲得SAM-OAM混 合糾纏態(tài)為
，運(yùn)里OAM量子數(shù)取1，其中，入代 表脈沖的波長(zhǎng)，A和B分別表示信號(hào)光子和閑置光子，IL〉表示左旋圓偏振態(tài)，IR〉表示右旋 圓偏振態(tài)，n代表SAM本征態(tài)，1代表OAM本征態(tài)。
[0028] 進(jìn)一步地，所述S2多波長(zhǎng)糾纏態(tài)的O-W型復(fù)用步驟中還包括W下步驟：
[0029] S2-1.解復(fù)用：所述解復(fù)用模塊W波長(zhǎng)尋址的方式將攜帶各個(gè)波長(zhǎng)混合糾纏態(tài)的 閑置光發(fā)送給相應(yīng)的不同Bob用戶；
[0030] S2-2.復(fù)用：復(fù)用模塊用于W波長(zhǎng)尋址的方式