CN104092539A - 一种自旋-轨道角动量混合调制量子密钥分发方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种自旋-轨道角动量混合调制量子密钥分发方法及系统，包括混合自旋-轨道角动量产生单元、自旋角动量调制单元、轨道角动量调制单元和符合测量解码单元。所述混合自旋-轨道角动量产生单元用于产生自旋角动量和轨道角动量混合纠缠量子态；所述自旋角动量调制单元用于对信号光子自旋角动量进行相位偏转调制，所述轨道角动量调制单元用于对闲置光子轨道角动量进行相位偏转调制，加载编码信息；所述符合测量解码单元用于对信号光子和闲置光子进行符合测量解码量子比特信息。本发明提高了量子密钥分发系统的安全性，实现了大容量的量子编码，获得了高效编码的量子密钥分发系统，且结构简单、安全性高。

Description

一种自旋-轨道角动量混合调制量子密钥分发方法及系统

技术领域

本发明涉及量子保密通信领域，特别涉及一种自旋-轨道角动量混合调制量子密钥分发方法及系统。

背景技术

量子密钥分发(Quantum Key Distribution,QKD)是一种被证明了的绝对安全的密码通信方式，它以量子态作为量子信息的载体编码量子比特，在保密通信合法用户之间建立起密钥共享，其安全性由量子力学原理保证。量子密钥分发系统中，编码量子信息的载体可以分为单光子和纠缠光子对两种类型。由于纠缠光子对之间有较强的纠缠联系，基于纠缠光子对的量子密钥分发系统具有更好的安全特性。

研究发现，光子可以携带自旋角动量(SAM)和轨道角动量(OAM)这两种角动量。自旋角动量与光子的圆偏振态有关，左旋圆偏振态|L〉和右旋圆偏振态|R〉作为自旋算符的本征态，分别携带有的自旋角动量，利用光子的自旋角动量只能实现一个量子位的编码(对应一个二维希尔伯特空间)；与自旋角动量不同的是，轨道角动量来源于光子的螺旋相位，对应轨道角动量本征态|m〉，m为轨道角动量特征量子数，由于不同阶轨道角动量相互正交，m在理论上允许取任意整数，利用光子的轨道角动量可以实现一个高维希尔伯特空间的量子位编码，能够显著增大光子携带信息容量，提高编码安全性。

目前，一些利用光子轨道角动量作为信息载体的量子密钥分发系统已被提出，然而，这些系统的共同点是利用“相互无偏基”方式进行编码，这种编码模式可以看作是BB84协议的扩展，在这种通信协议下，通信双方通常还需要一条经典信道用来对比发送基和测量基，当双方选取的基不相同时，密钥信息将被舍弃掉。因此，基于“相互无偏基”编码协议的系统一方面存在信息损失导致密钥生成效率降低的问题，另一方面经典信道的设计也增加了通信系统结构的复杂度。一种基于轨道角动量纠缠的量子密钥分发系统也受到关注，它利用产生的轨道角动量纠缠信号光子和闲置光子来进行编码，采用符合测量的方法来解调纠缠光子对上的信息。这种系统克服了上述“相互无偏基”系统存在的光子利用率低，密钥生成效率不高的缺点，并且不需要再额外设计一条经典信道，但该系统在纠缠光源制备端，对泵浦光源的波长、频率及功率要求严格，此外，在调制解调中需要多个空间光调制器(Spatial Light Modulator,SLM)进行纠缠光子对的轨道角动量调制，导致系统结构复杂，成本较高。

发明内容

本发明的目的在于：提供一种编码信息容量大、结构简单、安全性高的自旋-轨道角动量混合调制量子密钥分发方法及系统。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种自旋-轨道角动量混合调制量子密钥分发方法，包括混合自旋-轨道角动量产生、自旋角动量调制、轨道角动量调制和符合测量解码；

所述混合自旋-轨道角动量产生包含以下步骤：

①自旋纠缠光子产生：产生自旋角动量纠缠的信号光子和闲置光子；

②轨道纠缠转化：将闲置光子的自旋角动量自由度向轨道角动量自由度转化；

③混合纠缠产生：隔离信号光子和闲置光子之间可能存在的轨道角动量纠缠串扰,实现信号光子自旋角动量和闲置光子轨道角动量的相互纠缠；

所述自旋角动量调制包含以下步骤：

①相位偏转调制：对信号光子左旋圆偏振态|L〉和右旋圆偏振态|R〉的叠加态进行相位偏转调制；

②偏振筛选：对水平偏振、垂直偏振的信号光子进行筛选；

③耦合发送：将信号光子耦合进单模光纤，发送至符合测量单元；

所述轨道角动量调制包含以下步骤：

①相位偏转调制：调制相位全息图，对闲置光子轨道角动量态|m＝+2〉和|m＝-2〉的叠加态进行相位偏转调制；

②量子比特编码：对闲置光子轨道角动量进行量子比特编码；

③密钥发送：将量子比特编码信息发送至符合测量单元；

所述符合测量解码包括以下步骤：

①符合测量：单光子探测器将记录下的探测数据发送到符合计数器进行符合测量；

②比特信息确定：依据符合测量值决定所编码的比特信息；

③密码序列建立：分析测量结果，建立随机密码序列。

本发明的又一目的在于：采用上述方法的自旋-轨道角动量混合调制量子密钥分发系统，其包括混合自旋-轨道角动量产生单元、自旋角动量调制单元、轨道角动量调制单元和符合测量解码单元，所述混合自旋-轨道角动量产生单元用于产生自旋角动量和轨道角动量混合纠缠量子态，所述自旋角动量调制单元用于对信号光子自旋角动量进行相位偏转调制，轨道角动量调制单元用于对闲置光子轨道角动量进行相位偏转调制，加载编码信息，所述符合测量解码单元用于对信号光子和闲置光子进行符合测量解码量子比特信息。

所述混合自旋-轨道角动量产生单元包括泵浦光源、BBO晶体(β相偏硼酸钡晶体，化学式为β-BaB₂O₄)、单模光纤和q-plate相位板，所述BBO晶体与所述泵浦光源连接，用于产生信号光子与闲置光子自旋纠缠光子对，所述单模光纤用于隔离轨道角动量纠缠串扰，所述q-plate相位板用于实现光子自旋角动量向轨道角动量自由度转化。

所述自旋角动量调制单元包括半波片、偏振分束器(Polarization Beam Splitter，PBS)和单模光纤，所述半波片用于对信号光子进行相位偏转调制，所述偏振分束器对信号光子用于进行偏振筛选，所述单模光纤用于对信号光子耦合发送。

所述的轨道角动量调制单元包括空间光调制器和单模光纤，所述空间光调制器用于对闲置光子轨道角动量进行相位偏转调制，所述单模光纤用于耦合发送基模高斯光。

所述轨道角动量调制单元还包括计算机，所述计算机通过其DVI接口与所述空间光调制器连接，所述计算机调制所述空间光调制器相位全息图的输出。

所述符合测量解码单元包括第一单光子探测器、第二单光子探测器和符合计数器，所述第一单光子探测器用于记录单位时间内到达的信号光子，所述第二单光子探测器用于记录单位时间内到达的闲置光子，所述符合计数器用于进行符合事件测量。

所述泵浦光源为355nm紫外锁模激光器，其重复频率为100MHz,平均功率为150mw。

所述BBO为两块光轴相互垂直且粘合在一起的β相偏硼酸钡晶体(化学式为β-BaB₂O₄)，它们均被切割成Ⅰ类匹配。

所述单模光纤直径为5微米，只允许耦合发送束腰较小的高斯模式光。

所述q-plate相位板为一种单轴双折射液晶，其z轴方向的固定相位延迟为π，光轴取向固定参数q＝1，α₀＝0。

所述空间光调制器为液晶纯相位反射型，其分辨率为1920×1080，调制相位变化范围超过2π弧度，灰度等级为8位，256阶，图像帧速率为60Hz，工作波段为400-1100nm。

在实际应用中，混合自旋-轨道角动量产生方法具体如下：

①自旋纠缠光子产生：将泵浦光正入射到BBO晶体中，在泵浦光的激励下，BBO晶体通过自发参量下转换产生自旋角动量自由度纠缠的信号光子和闲置光子，其量子态为(A和B分别代表信号光子和闲置光子,|L〉和|R〉分别表示左、右旋圆偏振态，对应携带的自旋角动量)；

②轨道纠缠转化：q-plate相位板作用于闲置光子，将闲置光子的自旋角动量向轨道角动量自由度转化，

③混合纠缠产生：利用单模光纤只允许基模高斯光通过的特性，过滤出轨道角动量为零的光子，隔离信号光子和闲置光子之间可能存在的轨道角动量纠缠串扰，获得自旋-轨道角动量混合纠缠量子态 $|{\mathrm{\Φ}}_1\⟩=\frac{1}{\sqrt{2}}\left(\right|L{{\⟩}^{\mathrm{\π}}}_A|m=-2{{\⟩}^l}_B+|R{{\⟩}^{\mathrm{\π}}}_A|m=+2{{\⟩}^l}_B)$ (π表示自旋角动量，l表示轨道角动量)；

所述的自旋角动量调制方法具体如下：

①相位偏转调制：半波片和偏振分束器组成自旋角动量调制器，对信号光子进行相位偏转调制，设置半波片取向角为(θ为变量),对信号光子左旋圆偏振态|L〉和右旋圆偏振态|R〉的叠加态进行相位偏转调制，加载相位信息信号光子量子态变为

$|\mathrm{\θ}{\⟩}^{\mathrm{\π}}=\frac{1}{\sqrt{2}}\left(e^{\mathrm{i\θ}}\right|L{{\⟩}^{\mathrm{\π}}}_A+e^{-\mathrm{i\θ}}\left|R{{\⟩}^{\mathrm{\π}}}_A\right);$

②偏振筛选：偏振分束器筛选信号光子的|H〉水平偏振、|V〉垂直偏振,获得|H〉水平偏振光子输出；

③耦合发送：信号光子耦合进单模光纤，发送至符合测量解码单元；

所述的轨道角动量调制方法具体如下：

①相位偏转调制：计算机通过DVI接口与空间光调制器相连接控制空间光调制器全息相位图输出，对闲置光子轨道角动量态|m＝+2〉和|m＝-2〉的叠加态进行相位偏转调制；

②量子比特编码：对闲置光子轨道角动量态进行量子比特编码，空间光调制器使入射闲置光子加载上偏转相位信息 $|\mathrm{\χ}{\⟩}^l=\frac{1}{\sqrt{2}}\left(e^{{i2}_{\mathrm{\χ}}}\right|m+2{{\⟩}^l}_B+e^{-{i2}_{\mathrm{\χ}}}|m=-2{{\⟩}^l}_B),$ 获得高斯模式的反射光子，不同的偏转角χ对应不同的编码比特；

③密钥发送：利用单模光纤的微小纤芯特征，过滤并输出基模高斯模式的闲置光子，发送至符合测量解码单元。

所述符合测量解码方法具体如下：

①符合测量：单光子探测器记录下单位时间内到达的信号光子数和闲置光子数，并将记录下的探测数据发送到符合计数器进行符合测量，依据信号光子和闲置光子的相位偏转调制信息，符合测量计数值满足关系式P(θ,χ)∞cos²(2χ-θ)；

②比特信息确定：根据符合测量结果恢复出编码的密钥，相对符合计数值为“1”，解调编码“0”，相对符合计数值为“0.5”，解调编码“1”；或者相对符合计数值为“1”，解调编码“0”，相对符合计数值为“0.5”，解调编码“1”，相对符合计数值为“0”，解调编码“2”；

③密码序列建立：根据符合测量结果建立随机秘密的序列0,1或者0,1,2作为密码本。

相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：

1、本发明以混合自旋-轨道角动量纠缠光子对作为编码信息的载体，提高了量子密钥分发系统的安全性；

2、本发明的每一对混合自旋-轨道角动量纠缠光子对可以加载超过一个比特的编码信息量，实现了大容量的量子编码；

3、本发明改进了基于“相互无偏基”量子密钥分发系统的编码方法，该系统设计结构简单，不需要额外设计一条经典信道进行测量基的比对，获得了高效编码的量子密钥分发系统；

4、本发明的混合自旋-轨道角动量产生单元仅需一个q-plate相位板就可完成了对自旋角动量的转化，获得自旋角动量和轨道角动量混合纠缠量子态；

5、本发明只需半波片和偏振分束器这些常用的光学器件就可以实现对信号光子的自旋角动量的调制，而无需额外多路控制单元及空间光调制器的调制；

6、本发明采用混合自旋-轨道角动量符合测量的方法来解调纠缠光子对上的信息，光子利用率高，可加载高维量子比特信息；

7、本发明采用计算机控制空间光调制器相位全息图的输出，可实现闲置光子轨道角动量的动态调制；

8、本发明优化了调制方式，简化了结构，提高了安全性，节约了成本。

附图说明

图1为本发明的系统结构的示意图；

图2为本发明的工作原理的示意图。

具体实施方式

Bob代表密钥发送端，Alice代表密钥接收端。

请参阅图1。

本发明的自旋-轨道角动量混合调制量子密钥分发系统，其包括混合自旋-轨道角动量产生单元、自旋角动量调制单元、轨道角动量调制单元和符合测量解码单元，所述混合自旋-轨道角动量产生单元用于产生自旋角动量和轨道角动量混合纠缠量子态，所述自旋角动量调制单元用于对信号光子自旋角动量进行相位偏转调制，所述轨道角动量调制单元用于对闲置光子轨道角动量进行相位偏转调制，加载编码信息，所述符合测量解码单元用于对信号光子和闲置光子进行符合测量解码量子比特信息。

请参阅图2。

所述混合自旋-轨道角动量产生单元主要包括泵浦光源、BBO晶体、第一单模光纤和q-plate相位板，所述泵浦光源发出泵浦光，并正入射所述BBO晶体，所述BBO晶体在所述泵浦光的激励下，通过自发参量下转换过程产生自旋纠缠的信号光子和闲置光子，纠缠光子对量子态为 $|{\mathrm{\Φ}}_0\⟩=\frac{1}{\sqrt{2}}\left(\right|L{\⟩}_A|R{\⟩}_B+|R{\⟩}_A\left|L{\⟩}_B\right);$

所述信号光子进入所述第一单模光纤中，由于第一单模光纤的直径非常小，只允许基模高斯光通过，利用第一单模光纤可以过滤出轨道角动量为零的基模高斯光，这样就隔离了可能存在的轨道角动量纠缠串扰；

所述闲置光子进入所述q-plate相位板，q-plate相位板的功能可以用一个量子算符表示为 $\hat{Q}\left(m\right)=|R,m+2\⟩\⟨L,m|+|L,m-2\⟩\⟨R,m|,$ 在q-plate相位板作用下，闲置光子的自旋角动量将向轨道角动量自由度转化；

所述信号光子和所述闲置光子的量子态将演化为自旋角动量和轨道角动量的混合纠缠态 $|{\mathrm{\Φ}}_1\⟩=\frac{1}{\sqrt{2}}\left(\right|L{{\⟩}^{\mathrm{\π}}}_A|-2{{\⟩}^l}_B+|R{{\⟩}^{\mathrm{\π}}}_A|+2{{\⟩}^l}_B).$

所述自旋角动量调制单元主要包括半波片和偏振分束器，到达半波片的信号光子可看作处于自旋角动量叠加态设置半波片的取向角为(θ为变量),

经过所述半波片的信号光子射入所述偏振分束器，则所述偏振分束器射出的信号光子将引入自旋角动量依赖的相位偏转变化，偏转自旋角动量量子态可表示为于是，通过设置不同的取向角θ可以实现信号光子自旋角动量的相位偏转调制；

所述偏振分束器射出的信号光子耦合进第二单模光纤发送。

所述轨道角动量调制单元主要包括空间光调制器以及与空间光调制器DVI接口相连接的计算机，所述计算机可以实时地控制所述空间光调制器上相位全息图的输出来对闲置光子的轨道角动量进行偏转调制；空间光调制器可以定义这样一个偏转的轨道角动量叠加态并将其转化为基模高斯模式(量子态为|m＝0〉)的光发送出去，其中，χ为轨道角动量的相位偏转取向角，不同的χ对应着轨道角动量态的相应偏转；

经调制的闲置光子耦合进第三单模光纤发送。

所述符合测量解码单元包括第一单光子探测器、第二单光子探测器和符合计数器，所述符合计数器分别与所述第一单光子探测器和所述第二单光子探测器连接；

所述第一单光子探测器接收所述第二单模光纤所述传送的信号光子，记录下单位时间内到达的信号光子数并将探测数据发送至所述符合计数器；

所述第二单光子探测器接收所述第三单模光纤所述传送的闲置光子，记录下单位时间内到达的闲置光子数并将探测数据发送至所述符合计数器；

所述符合计数器经符合测量逻辑运算后，向外输出单位时间内的符合光子的数值。

本发明的一种自旋-轨道角动量混合调制量子密钥分发方法，包括以下步骤：

步骤一：混合自旋—轨道角动量纠缠态的制备，Alice利用混合自旋-轨道角动量产生单元产生自旋角动量和轨道角动量混合纠缠的信号光子和闲置光子，她在保留信号光子的同时将闲置光子传送给Bob；

步骤二：量子比特编码，Alice和Bob分别利用自旋角动量调制单元和轨道角动量调制单元对信号光子的自旋角动量和闲置光子的轨道角动量进行相位偏转调制，Alice一端将自旋角动量偏转取向角θ调制为Bob随机调制轨道角动量的偏转相位取向角χ，使其为

步骤三：密钥发送，Alice和Bob分别将调制过后的信号光子和闲置光子经单模光纤耦合后送往Alice处的符合测量解码单元进行光子探测和符合计数测量；

步骤四：密钥成码，Alice根据符合测量结果恢复出编码的密钥：相对符合计数值为“1”，解调编码“0”，相对符合计数值为“0.5”，解调编码“1”；随后，她建立随机秘密序列0,1作为密码本。

其具体的编解码过程如下：

当调制信号光子自旋角动量态为|θ〉^π，闲置光子轨道角动量态为|χ〉^l时，因为信号光子和闲置光子共同处于自旋轨道角动量混合纠缠态所以符合测量系统同时测量到双光子的概率为P(θ,χ)＝|Φ₁|·|θ〉^π|χ〉^l|²∝cos²(2χ-θ)，此即为相对符合计数值。此时，符合计数函数与自旋角动量态偏转取向角θ和轨道角动量偏转态取向角χ的差值成余弦平方的关系。利用符合计数方法，Alice和Bob可以进行量子密钥分发。其基本思想为：Alice一端保持调制自旋角动量态的偏转取向角度θ不变(如可将其固定为)，而在Bob端，实时调制轨道角动量态的偏转取向角度χ来进行信息的编码，最后，Alice由不同的相对符合计数值恢复出Bob编码的密钥。编码比特值与相对符合计数值的关系如表1所示：

表1编码比特值与相对符合计数值的关系

如表1所示，编解码约定如下：在发送端，Bob随机调制轨道角动量的偏转相位取向角χ，规定χ为时表示码“0”，规定χ为时表示码“1”；在接收端，Alice对每一对相应时间段到达的信号光子和闲置光子进行符合测量，若相对符合计数值为“1”，则表示码“0”，若相对符合计数值为“0.5”，则表示码“1”。Alice根据自己的符合计数情况建立起随机秘密序列0,1作为密码本。

需要指出的是，Alice和Bob利用所述系统与符合计数编码方法，还可以充分利用混合自旋-轨道角动量纠缠光子对的高维编码特性，使每一对混合纠缠光子对加载更多信息量。例如，一种更高效的编解码方式如表2所示：

表2一种高效编解码方式

如表2所示，编解码约定如下：在发送端，Bob随机调制轨道角动量的偏转相位取向角χ，规定χ为时表示码“0”，规定χ为时表示码“1”，规定χ为时表示码“2”；在接收端，Alice对每一对相应时间段到达的信号光子和闲置光子进行符合测量，若相对符合计数值为“1”，则表示码“0”，若相对符合计数值为“0.5”，则表示码“1”，若相对符合计数值为“0”，则表示码“2”。Alice根据自己的符合计数情况建立起随机秘密的序列0,1,2作为密码本。

需要指出的是，Alice和Bob根据需要可以调整不同的编解码方式，使其满足符合计数函数即可。

根据上述说明书的揭示和教导，本发明所属领域的技术人员还可以对上述实施方式进行变更和修改。因此，本发明并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对本发明的一些修改和变更也应当落入本发明的权利要求的保护范围内。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本发明构成任何限制。

Claims (10)

1.一种自旋-轨道角动量混合调制量子密钥分发系统，其特征在于：包括混合自旋-轨道角动量产生单元、自旋角动量调制单元、轨道角动量调制单元和符合测量解码单元，所述混合自旋-轨道角动量产生单元用于产生自旋角动量和轨道角动量混合纠缠量子态，所述自旋角动量调制单元用于对信号光子自旋角动量进行相位偏转调制，所述轨道角动量调制单元用于对闲置光子轨道角动量进行相位偏转调制及加载编码信息，所述符合测量解码单元用于对信号光子和闲置光子进行符合测量解码量子比特信息。

2.根据权利要求1所述的一种自旋-轨道角动量混合调制量子密钥分发系统，其特征在于：所述混合自旋-轨道角动量产生单元包括泵浦光源、BBO晶体、单模光纤和q-plate相位板，所述BBO晶体与所述泵浦光源连接，用于产生信号光子与闲置光子自旋纠缠光子对，所述单模光纤用于隔离轨道角动量纠缠串扰，所述q-plate相位板用于实现光子自旋角动量向轨道角动量自由度转化，产生的混合自旋-轨道角动量纠缠光子对的量子态可表示为 $|{\mathrm{\Φ}}_1\⟩=\frac{1}{\sqrt{2}}\left(\right|L{{\⟩}^{\mathrm{\π}}}_A|m=-2{{\⟩}^l}_B+|R{{\⟩}^{\mathrm{\π}}}_A|m=+2{{\⟩}^l}_B),$ 其中π表示自旋角动量，l表示轨道角动量。

3.根据权利要求2所述的一种自旋-轨道角动量混合调制量子密钥分发系统，其特征在于：所述自旋角动量调制单元包括半波片、偏振分束器和单模光纤，所述半波片用于对信号光子进行相位偏转调制，所述偏振分束器对信号光子用于进行偏振筛选，调制信号光子量子态偏转为所述单模光纤用于对调制信号光子进行耦合发送；

所述轨道角动量调制单元包括空间光调制器和单模光纤，所述空间光调制器用于调制入射闲置光子轨道角动量态相位偏转，使其量子态偏转为 $|\mathrm{\χ}{\⟩}^l=\frac{1}{\sqrt{2}}\left(e^{{i2}_{\mathrm{\χ}}}\right|m+2{{\⟩}^l}_B+e^{-{i2}_{\mathrm{\χ}}}|m=-2{{\⟩}^l}_B),$ 所述单模光纤用于对高斯模式闲置光子耦合发送。

4.根据权利要求3所述的一种自旋-轨道角动量混合调制量子密钥分发系统，其特征在于：所述轨道角动量调制单元还包括计算机，所述计算机通过其DVI接口与所述空间光调制器连接，所述计算机调制所述空间光调制器相位全息图的输出。

5.根据权利要求3或4任一项所述的一种自旋-轨道角动量混合调制量子密钥分发系统，其特征在于：所述符合测量解码单元包括第一单光子探测器、第二单光子探测器和符合计数器，所述第一单光子探测器用于记录单位时间内到达的信号光子数并将其探测数据发送至所述符合计数器，所述第二单光子探测器用于记录单位时间内到达的闲置光子数并将其探测数据发送至所述符合计数器，所述符合计数器用于进行符合测量。

6.一种自旋-轨道角动量混合调制量子密钥分发方法，其特征在于：包括混合自旋-轨道角动量产生、自旋角动量调制、轨道角动量调制和符合测量解码；

所述混合自旋-轨道角动量产生包括以下步骤：

①自旋纠缠光子产生：将泵浦光源正入射到BBO晶体中，在泵浦光的激励下，BBO晶体通过自发参量下转换产生自旋角动量自由度纠缠的信号光子和闲置光子；

②轨道纠缠转化：q-plate相位板作用于闲置光子，将闲置光子的自旋角动量向轨道角动量自由度转化；

③混合纠缠产生：利用单模光纤只允许基模高斯光通过的特性，过滤出轨道角动量为零的光子，隔离信号光子和闲置光子之间可能存在的轨道角动量纠缠串扰，获得自旋-轨道角动量混合纠缠量子态；

所述自旋角动量调制包括以下步骤：

①相位偏转调制：半波片和偏振分束器组成自旋角动量调制器，对信号光子进行相位偏转调制；

②偏振筛选：偏振分束器筛选信号光子的|H〉水平偏振、|V〉垂直偏振,获得|H〉水平偏振光子输出；

③耦合发送：信号光子耦合进单模光纤，发送至符合测量解码单元；

所述轨道角动量调制包括以下步骤：

①相位偏转调制：计算机控制空间光调制器全息相位图输出，调制相位全息图，对闲置光子轨道角动量态|m＝+2〉和|m＝-2〉的叠加态进行相位偏转调制；

②量子比特编码：对闲置光子轨道角动量态进行量子比特编码，使入射闲置光子加载偏转相位信息，获得高斯模式的反射光子；

③密钥发送：利用单模光纤的微小纤芯特征，过滤并输出基模高斯模式的闲置光子，发送至符合测量解码单元。

所述符合测量解码包括以下步骤：

①符合测量：第一单光子探测器和第二单光子探测器分别记录下单位时间内到达的信号光子数和闲置光子数，并将记录下的探测数据发送到符合计数器进行符合测量；

②比特信息确定：根据符合测量结果恢复出编码的密钥；

③密码序列建立：根据符合测量结果建立随机秘密的序列作为密码本。

7.根据权利要求6所述的一种自旋-轨道角动量混合调制量子密钥分发方法，其特征在于：在混合自旋-轨道角动量产生的自旋纠缠光子产生步骤中，所述自旋角动量自由度纠缠的信号光子和闲置光子的量子态为 $|{\mathrm{\Φ}}_0\⟩=\frac{1}{\sqrt{2}}\left(\right|L{\⟩}_A|R{\⟩}_B+|R{\⟩}_A\left|L{\⟩}_B\right);$

A和B分别代表信号光子和闲置光子,|L〉和|R〉分别表示左、右旋圆偏振态，其分别对应携带的自旋角动量；

在混合自旋-轨道角动量产生的混合纠缠产生步骤中，自旋-轨道角动量混合纠缠量子态为 $|{\mathrm{\Φ}}_1\⟩=\frac{1}{\sqrt{2}}\left(\right|L{{\⟩}^{\mathrm{\π}}}_A|m=-2{{\⟩}^l}_B+|R{{\⟩}^{\mathrm{\π}}}_A|m=+2{{\⟩}^l}_B);$

π表示自旋角动量，l表示轨道角动量。

8.根据权利要求7所述的一种自旋-轨道角动量混合调制量子密钥分发方法，其特征在于：在自旋角动量调制的相位偏转调制步骤中，还包括设置半波片取向角为对信号光子左旋圆偏振态|L〉和右旋圆偏振态|R〉的叠加态进行相位偏转调制，加载相位信息信号光子量子态变为 $|\mathrm{\θ}{\⟩}^{\mathrm{\π}}=\frac{1}{\sqrt{2}}\left(e^{\mathrm{i\θ}}\right|L{{\⟩}^{\mathrm{\π}}}_A+e^{-\mathrm{i\θ}}\left|R{{\⟩}^{\mathrm{\π}}}_A\right),$ 其中θ为变量。

9.根据权利要求8所述的一种自旋-轨道角动量混合调制量子密钥分发方法，其特征在于：在轨道角动量调制的量子比特编码步骤中，所述偏转相位信息为 $|\mathrm{\χ}{\⟩}^l=\frac{1}{\sqrt{2}}\left(e^{{i2}_{\mathrm{\χ}}}\right|m+2{{\⟩}^l}_B+e^{-{i2}_{\mathrm{\χ}}}|m=-2{{\⟩}^l}_B),$ 其中不同的偏转角χ对应不同的编码比特。

10.根据权利要求9所述的一种自旋-轨道角动量混合调制量子密钥分发方法，其特征在于：在符合测量解码的符合测量步骤中，依据信号光子和闲置光子的相位偏转调制信息，符合测量计数值满足关系式P(θ,χ)∞cos²(2χ-θ)；

在符合测量解码的比特信息的确定步骤中，所述根据符合测量结果恢复出编码的密钥的具体方法为：相对符合计数值为“1”，则解调编码“0”；相对符合计数值为“0.5”，则解调编码“1”；或者相对符合计数值为“1”，则解调编码“0”，相对符合计数值为“0.5”，则解调编码“1”，相对符合计数值为“0”，则解调编码“2”；

在符合测量解码的密码序列建立步骤中，所述随机秘密的序列为0、1或者0、1、2。