技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本實用新型涉及量子密碼與光通信技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于軌道角動量編碼的量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)。
背景技術(shù)
[0002] 量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)常用于加載量子編碼信息的有偏振、
相位等物理量。在基于偏振編碼的量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)中，量子信息被編碼在
光子的偏振態(tài)上，偏振態(tài)通常需要利用鈮酸鋰等電光晶體進行調(diào)制，由于電光晶體較高的半波
電壓調(diào)制要求，因此在實際使用過程中受到很大的限制。另一方面，電光晶體還存在著調(diào)制速率不高的問題，這進一步影響到了量子密鑰分發(fā)的成碼率。此外，在量子
信號的傳輸過程中，由于在光纖中不可避免的存在雙折射及色散等干擾，偏振編碼的量子信息很容易受到外界環(huán)境的影響，長距離傳輸后會導致較高的誤碼率。因此，基于偏振編碼的量子密鑰分
發(fā)面臨著成碼率不高，傳輸距離有限的問題。為了解決偏振編碼存在的問題，人們又將光子的相位信息應用到量子密鑰分發(fā)的編碼之中，相位編碼利用兩束相干光脈沖在
馬赫-曾德爾干涉儀中進行干涉，最終在干涉儀的輸出端由兩束光的干涉
對比度信息解碼出編碼信息。相位編碼較好的克服了量子信息在光纖傳輸中容易受到環(huán)境干擾的缺點，然而這種相干性在信息的發(fā)送端和接收端仍會受到器件的制約，特別是對馬赫-曾德爾干涉儀的
穩(wěn)定性提出了嚴格的要求，因此其應用受到了一定的限制。
[0003] 研究發(fā)現(xiàn)，除了偏振、相位等物理量之外，光子還可以攜帶一種叫做軌道角動量的
自由度。與偏振、相位等物理量不同，攜帶軌道角動量的光束具有螺旋型波前和光學奇點，并具有獨特的軌道角動量的量子拓撲結(jié)構(gòu)特性，其獨特的光學特性可以提高信息編碼的安全性與調(diào)制能
力，因此在量子信息以及光通信中具有重大的研究價值。目前，一種基于單光子軌道角動量的量子密鑰分發(fā)方案得到了報道，該方案通過利用不同階軌道角動量的
正交特性進行信息的編解碼，提高了光子的利用效率和系統(tǒng)的安全性，然而在其編碼發(fā)射端，編碼信息需要依賴兩個可以發(fā)射攜帶不同軌道角動量光子的
激光器，由于受到軌道角動量產(chǎn)生技術(shù)的制約，這種光子的產(chǎn)生效率并不高，且很難達到單光子的
水平，這導致了系統(tǒng)誤碼率的增加，并存在被偷聽者竊聽的
風險，此外，在其解碼端同樣需要使用一個馬赫-曾德干涉儀，因此也增加了其在通信中的應用難度。一種基于自旋-軌道角動量混合調(diào)制的量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)也得到了報道，該系統(tǒng)利用混合的自旋-軌道角動量
糾纏光子對作為編碼信息的載體，并利用符合測量單元作為信息的解碼裝置，提高了系統(tǒng)的安全性，然而混合糾纏
光源的核心產(chǎn)生器件q-plate目前還處于實驗室研發(fā)階段，其制作工藝復雜，成本較高且轉(zhuǎn)化效率還不是很理想，這也限制了該系統(tǒng)的應用，另外，在系統(tǒng)的解調(diào)端，由于其解碼的符合特性曲線為一個連續(xù)曲線，因此符合計數(shù)的微小偏離都會帶來較高的誤碼率，由于信息發(fā)送者和接收者之間沒有通信信道進行通信，該部分誤碼信息將無法有效消除。實用新型內(nèi)容
[0004] 本實用新型的目的在于：提供一種結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定快速的基于軌道角動量編碼的量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)。
[0005] 為了解決上述技術(shù)問題，本實用新型提供了一種基于軌道角動量編碼的量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)，其包括密鑰發(fā)送端和密鑰接收端，所述密鑰發(fā)送端包括，依次連結(jié)的激光器、聚焦透鏡、BBO晶體、分束器、第一空間光
調(diào)制器和第一濾波片，還包括第一計算機，所述第一計算機的一端與所述第一空間光調(diào)制器連接且另一端通過單模光纖與公共信道連接；所述密鑰接收端包括，依次連接的第二空間光調(diào)制器、第二濾波片、第一單光子探測器和符合計數(shù)器，所述第二空間光調(diào)制器與所述分束器連接，還包括連接于所述第一濾波片與所述符合計數(shù)器之間的第二單光子探測器，還包括第二計算機，所述第二計算機的一端與所述第二空間光調(diào)制器連接且另一端通過單模光纖與所述公共信道連接，所述符合計數(shù)器與所述第二計算機連接；
[0006] 所述激光器作為
泵浦光源，用于泵浦產(chǎn)生高斯光；所述聚焦透鏡用于聚焦激光光束；所述BBO晶體用于參量下轉(zhuǎn)換產(chǎn)生信號光子和閑置光子，產(chǎn)生的光子對糾纏于軌道角動量自由度；所述分束器用于將參量下轉(zhuǎn)換產(chǎn)生信號光子和閑置光子分兩路輸出；所述第一空間光調(diào)制器用于調(diào)制入射的信號光子，進行
量子比特的編碼，經(jīng)調(diào)制的信號光子以基模高斯光的模式輸出；所述第一計算機用于實時調(diào)制第一空間光調(diào)制器上的入射信號光子的軌道角動量態(tài)，并用于進行編碼基和測量基的比對；所述第一濾波片用于濾掉信號光子中未轉(zhuǎn)換的殘留光子；所述信號光子通過單模光纖傳送到所述第二單光子探測器；所述分束器將所述閑置光子通過自由空間傳動送所述第二空間光調(diào)制器；
[0007] 所述第二空間光調(diào)制器用于調(diào)制閑置光子軌道角動量態(tài)，進行閑置光子軌道角動量態(tài)的測量；所述第二計算機用于實時調(diào)制第二空間光調(diào)制器上入射閑置光子的軌道角動量態(tài)，并用于進行編碼基和測量基的比對；所述第二濾波片用于濾掉閑置光子中未轉(zhuǎn)換的殘留光子；所述閑置光子通過單模光纖傳送到所述第一單光子探測器；所述第一單光子探測器用于探測單模光纖傳送的調(diào)制閑置光子，并記錄單位時間內(nèi)到達的閑置光子數(shù)目；所述第二單光子探測器用于探測單模光纖傳送的調(diào)制信號光子，并記錄單位時間內(nèi)到達的信號光子數(shù)目；所述符合計數(shù)器用于接收第一單光子探測器和第二單光子探測器所傳送的探測信號并產(chǎn)生符合測量計數(shù)，并將計數(shù)結(jié)果傳送給第二計算機。
[0008] 所述BBO晶體的化學式為β-BaB2O4，滿足Ⅰ類相位匹配條件。
[0009] 所述第一空間光調(diào)制器和所述第二空間光調(diào)制器為純相位
液晶反射型。
[0010] 所述第一單光子探測器和所述第二單光子探測器為蓋革模式的Si-APD,工作在可見光波段。
[0011] 激光器所產(chǎn)生高斯光的
波長為355nm，BBO晶體轉(zhuǎn)換產(chǎn)生信號光子和閑置光子的波長為710nm。
[0012] 相對于
現(xiàn)有技術(shù)，本實用新型具有以下有益效果：
[0013] 1、本實用新型采用軌道角動量糾纏態(tài)作為信息編碼的載體，并采用符合計數(shù)的方法進行解碼，抵抗環(huán)境變化能力強，實現(xiàn)了穩(wěn)定、高碼率的量子密鑰分發(fā)；
[0014] 2、本實用新型的量子編碼、測量及公共信道的通信過程功能高度集成，可以方便地進行信息的實時發(fā)送和接收，操作性強；
[0015] 3、本實用新型解決了現(xiàn)有的一種基于自旋-軌道角動量混合調(diào)制的量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)調(diào)制編碼及解碼能力不強的缺點。
附圖說明
[0016] 圖1為本實用新型的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和工作原理圖；
具體實施方式
[0018] Alice代表密鑰發(fā)送端，Bob代表密鑰接收端。
[0019] 請參閱圖1，本實用新型的基于軌道角動量編碼的量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)包括密鑰發(fā)送端和密鑰接收端，所述密鑰發(fā)送端包括，依次連結(jié)的激光器10、聚焦透鏡11、BBO晶體12、分束器13、第一空間光調(diào)制器14和第一濾波片16，還包括第一計算機15，所述第一計算機15的一端與所述第一空間光調(diào)制器14連接且另一端通過單模光纖與公共信道連接；所述密鑰接收端包括，依次連接的第二空間光調(diào)制器20、第二濾波片22、第一單光子探測器23和符合計數(shù)器25，所述第二空間光調(diào)制器20與所述分束器13連接，還包括連接于所述第一濾波片16與所述符合計數(shù)器25之間的第二單光子探測器24，還包括第二計算機21，所述第二計算機21的一端與所述第二空間光調(diào)制器20連接且另一端通過單模光纖與所述公共信道連接，所述符合計數(shù)器25與所述第二計算機21連接；
[0020] 所述激光器10作為泵浦光源，用于泵浦產(chǎn)生355nm的高斯光；所述聚焦透鏡11用于聚焦激光光束；所述BBO晶體12用于參量下轉(zhuǎn)換產(chǎn)生710nm的信號光子和閑置光子，產(chǎn)生的光子對糾纏于軌道角動量自由度；所述分束器13用于將參量下轉(zhuǎn)換產(chǎn)生信號光子和閑置光子分兩路輸出；所述第一空間光調(diào)制器14用于調(diào)制入射的信號光子，調(diào)制軌道角動量態(tài)的量子信號，進行量子比特的編碼；所述第一計算機15用于實時調(diào)制第一空間光調(diào)制器上的入射信號光子的軌道角動量態(tài)，并用于進行編碼基和測量基的比對；所述第一濾波片16用于濾掉信號光子中殘留的355nm光子，并將所述信號光子通過單模光纖傳送到所述第二單光子探測器24；所述分束器13將所述閑置光子通過自由空間傳動到所述第二空間光調(diào)制器20；
[0021] 所述第二空間光調(diào)制器20用于調(diào)制閑置光子軌道角動量態(tài)，進行閑置光子軌道角動量態(tài)的測量；所述第二計算機21用于實時調(diào)制第二空間光調(diào)制器上入射閑置光子的軌道角動量態(tài)，并用于進行編碼基和測量基的比對；所述第二濾波片22用于濾掉閑置光子中殘留的355nm光子，并將所述閑置光子通過單模光纖傳送到所述第一單光子探測器23；所述第一單光子探測器23用于探測單模光纖傳送的調(diào)制閑置光子，并記錄單位時間內(nèi)到達的閑置光子數(shù)目；所述第二單光子探測器24用于探測單模光纖傳送的調(diào)制信號光子，并記錄單位時間內(nèi)到達的信號光子數(shù)目；所述符合計數(shù)器25用于接收第一單光子探測器23和第二單光子探測器24所傳送的探測信號并產(chǎn)生符合測量計數(shù)，并將計數(shù)結(jié)果傳送給第二計算機21。
[0022] 所述BBO晶體12的化學式為β-BaB2O4，滿足Ⅰ類相位匹配條件。
[0023] 所述第一空間光調(diào)制器14和所述第二空間光調(diào)制器20為純相位液晶反射型。
[0024] 所述第一單光子探測器23和所述第二單光子探測器24為蓋革模式的Si-APD,工作在可見光波段。
[0025] 本實用新型還提供了一種基于軌道角動量編碼的量子密鑰分發(fā)方法，其基本原理為：在發(fā)射端通過空間光調(diào)制器實現(xiàn)軌道角動量的調(diào)制，輸出穩(wěn)定的量子編碼；在接收端利用空間光調(diào)制器-符合計數(shù)測量裝置可以穩(wěn)定快速的測量接收到的量子信息并最終通過公共信道上編碼基和測量基的比對解碼量子比特信息。
[0026] 一種基于軌道角動量編碼的量子密鑰分發(fā)方法，包括軌道角動量的比特編碼方法和量子比特解調(diào)方法；
[0027] 所述軌道角動量的比特編碼方法包括以下步驟：
[0028] ①軌道角動量糾纏態(tài)的制備：激光器10發(fā)射出355nm的激光經(jīng)聚焦透鏡11聚焦后正入射到BBO晶體12中，在入射激光的激勵下，所述BBO晶體12通過自發(fā)參量下轉(zhuǎn)換過程將產(chǎn)生710nm的信號光子和閑置光子，產(chǎn)生的光子對糾纏于軌道角動量自由度，此時信號光子和閑置光子軌道角動量糾纏態(tài)可表示為 其中a和b分別表示信號光子和閑置光子，l表示軌道角動量的特征量子數(shù)；分束器13將信號光子和閑置光子分兩路輸出，信號光子入射到第一空間光調(diào)制器14，閑置光子通過自由空間傳送到第二空間光調(diào)制器20；
[0029] ②信號光子軌道角動量態(tài)調(diào)制：第一計算機15實時控制所述第一空間光調(diào)制器14，調(diào)制入射信號光子的軌道角動量態(tài)，對信號光子進行編碼；
[0030] 所述編碼具體為：通過隨機調(diào)制四種不同的軌道 角動 量 態(tài)，加 載 量 子比 特 編碼，這 四個 量 子態(tài) 分 別為
其中， 和 相互正交，組成量子位的正交歸一基矢
和 相互正交，組成量子位的正交歸一基矢 兩組正交歸一基矢之間滿足關(guān)系式，其中下標m,n＝1,2，分別代表不同的基矢，i,j＝1,2，分別
代表不同的軌道角動量態(tài)。兩組正交歸一基矢之間的關(guān)系式表明，在通信雙方之間，如果信息發(fā)送方和接收方以同樣的基矢進行編解碼時，得到的結(jié)果是確定的，接收方可以推斷出發(fā)送方的編碼信息；而一旦信息接收方以錯誤的基矢進行測量時，得到的測量結(jié)果將是隨機的。這里規(guī)定 代表Alice的編碼為“0”，
代表Alice的編碼為“1”，軌道角動量態(tài)編碼比特方法如
表1所示：
[0031] 表1軌道角動量態(tài)編碼比特方法
[0032]
[0033] ③調(diào)制編碼的發(fā)射:信號光子在經(jīng)過第一空間光調(diào)制14的調(diào)制后，調(diào)制光子以基模高斯光的模式輸出，經(jīng)過第一濾波片16的濾波后耦合進單模光纖中發(fā)送，單模光纖向第二單光子探測器發(fā)射基模高斯模式的量子態(tài)編碼；另一方面，由于BBO晶體在參量下轉(zhuǎn)換的過程中，仍有部分光子尚未轉(zhuǎn)化，該部分光子波長仍為355nm的高斯光，因此濾波片的作用是將這部分355nm的高斯光的光子過濾掉，隔離其對編碼量子信號的串擾；
[0034] 所述量子比特解調(diào)方法包括以下步驟：
[0035] ①閑置光子軌道角動量測量調(diào)制：密鑰接收端隨機地從 和 兩組基中選擇一組，作為測量量子信號的測量基，并隨機的將閑置光子調(diào)制為該組基所屬的一種軌道角動量態(tài)，這個過程通過第二計算機21控制第二空間光調(diào)制器20來完成；隨后，閑置光子經(jīng)過濾波片22的濾波后耦合進單模光纖中，進行傳送。
[0036] ②信號光子與閑置符合計數(shù)測量：調(diào)制的信號光子和閑置光子經(jīng)單模光纖的傳送分別到達第一單光子探測器23和第二單光子單側(cè)器24，進行單光子的探測，第一單光子探測器和第二單光子單側(cè)器分別記錄單位時間內(nèi)到達的閑置光子的數(shù)目和信號光子的數(shù)目，之后，探測數(shù)據(jù)發(fā)送到符合計數(shù)器25進行符合計數(shù)的測量，記錄下同一時間內(nèi)兩個單光子探測器同時接收到光子數(shù)目，符合計數(shù)結(jié)果最終將被送到計算機21處。
[0037] ③編碼基與測量基比對：第一計算機與第二計算機在公共信道上進行編碼基與測量基比對，當編碼基與測量基相同，則第二計算機保留該次符合計數(shù)測量結(jié)果；當編碼基與測量基不同，則第二計算機舍棄該次符合計數(shù)測量結(jié)果并通過公共信道告知第一計算機；
[0038] 根據(jù)信號光子和閑置光子的軌道角動量態(tài)糾纏特性，當信號光子調(diào)制軌道角動量態(tài)為 閑置光子調(diào)制軌道角動量態(tài)為 時，符合計數(shù)函數(shù)可表示為因此，當Alice和Bob選取了相同的編碼基和測量基進行符
合計數(shù)時(同為 或同為 )，如果量子態(tài)相同，則得到的符合計數(shù)值為0.5，如果量子態(tài)不相同，則得到的符合計數(shù)值為0；當他們的編碼基和測量基選取的不相同時，符合計數(shù)均為0.25；
[0039] ④密碼比特的建立：根據(jù)符合計數(shù)值，Alice和Bob的具體解碼過程如下：
[0040] Bob在獲得符合計數(shù)值后，通過公共信道和Alice進行編碼基與測量基的比對，決定信號光子所攜帶的比特信息：當Alice和Bob的編碼基和測量基選取一致時，如果符合計數(shù)結(jié)果為“0”，則Bob可以推斷出Alice編碼的軌道角動量態(tài)與自己調(diào)制的量子態(tài)之間相互正交，如果符合計數(shù)結(jié)果為“0.5”，則可以推斷出Alice編碼的軌道角動量態(tài)與自己調(diào)制的量子態(tài)相同。因此，當編碼基和測量基相同時，Bob可以獲得Alice的編碼軌道角動量態(tài)信息，并根據(jù)軌道角動量態(tài)進一步解碼出Alice的編碼比特；當Alice和Bob編碼基和測量基選取不一致時，符合計數(shù)值全都為0.25，此時Bob無法判斷出Alice的編碼量子態(tài)信息。因此，Alice和Bob在進行量子態(tài)的編碼(解碼)后在公共信道上進行通信，公開他們的編碼基(測量基)，他們約定，基相同的部分數(shù)據(jù)將各自繼續(xù)占有，而基不相同的數(shù)據(jù)將全部舍棄。例如，Bob選取量子態(tài) 進行測量，如果符合計數(shù)值為0，則他推斷出Alice的正交態(tài) 并解碼出Alice的編碼比特“1”；如果符合計數(shù)值為0.5，則他推斷出Alice與他選擇了相同的量子態(tài)，并解碼出Alice的編碼比特“0”；如果符合計數(shù)值為0.25，則舍棄該數(shù)據(jù)。Alice和Bob的密鑰比特形成過程如表2所示：
[0041] 表2Alice和Bob的密鑰比特形成過程
[0042]
[0043] 上述編解碼的方式是在沒有考慮竊聽者Eve的理想情況下進行的，因此還必須考慮竊聽者Eve存在時給通信系統(tǒng)帶來的影響。由于Alice和Bob的信號光子和閑置光子糾纏于軌道角動量，因此可以通過軌道角動量糾纏度的驗證來判定Eve的竊聽行為是否存在。此時，Alice和Bob取出一部分數(shù)據(jù)進行Bell-CHSH不等式的計算，并根據(jù)Bell-CHSH不等式的違背情況來推測竊聽者存在的可能性以及竊聽造成的破壞程度，如果竊聽超出合理范圍則通信將取消。
[0044] Bell-CHSH不等式判據(jù)為：其中，S為糾纏態(tài)的Bell
系數(shù)； (i，j＝1,2)為軌道角動量相關(guān)系數(shù)；Cmn(m，n＝0,1)表示Alice和Bob測量結(jié)果分別為m和n的概率。根據(jù)量子糾纏理論，如果Alice和Bob的糾纏光子沒有受到竊聽者Eve的干擾，還保持純糾纏態(tài)，則|S|的值應該大于2，違背Bell-CHSH不等式，一旦Eve進行竊聽，則S必定落在區(qū)間|S|≤2。因此根據(jù)Bell-CHSH不等式的違背情況可以判定Eve的竊聽行為，建立高度安全的量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)，最后，在保證安全性的情況下，Alice和Bob共享解碼的密鑰比特，整個量子密鑰分發(fā)與共享過程如圖2所示。
[0045] 根據(jù)上述
說明書的揭示和教導，本實用新型所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員還可以對上述實施方式進行變更和
修改。因此，本實用新型并不局限于上面揭示和描述的具體實施方式，對本實用新型的一些修改和變更也應當落入本實用新型的
權(quán)利要求的保護范圍內(nèi)。此外，盡管本說明書中使用了一些特定的術(shù)語，但這些術(shù)語只是為了方便說明，并不對本實用新型構(gòu)成任何限制。
