CN105162587A - 多用户轨道角动量复用网络系统及其量子密钥分发方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了多用户轨道角动量复用网络系统，包括Alice控制端，S-D型轨道角动量复用单元和Bob用户端，其中：所述Alice控制端包括激光光源、偏振控制器、衰减器、第一非等臂M-Z干涉仪与轨道角动量复用单元；所述轨道角动量解复用单元包括达曼光栅、第二准直器与单模光纤；所述Bob用户端包括N个Bob用户；所述激光光源产生光信号进入所述偏振控制器和衰减器后传送至第一非等臂M-Z干涉仪，然后依次传输到所述轨道角动量复用单元和轨道角动量解复用单元上；最后进入到Bob用户进行探测。本发明实现了自由空间的量子网络通信的一对多通信，且个用户间相对独立，用户数可由轨道角动量复用的增加而扩展，具有良好的扩展性。

Description

多用户轨道角动量复用网络系统及其量子密钥分发方法

技术领域

本发明涉及自由空间通信与量子通信网络领域，具体涉及一种多用户轨道角动量复用网络系统及其量子密钥分发方法。

背景技术

量子密码技术是基于海森堡测不准原理和未知量子态不可克隆原理，其安全性不依赖于计算的复杂度，因此，具有绝对的安全性。量子密钥分发(QuantumKeyDistribution,QKD)能以绝对安全的方式让处于不同地理位置的合法参与者分享密钥，双方的密钥发送信道可以是自由空间或者光纤，采用光纤作为传输信道的QKD取得了很大的进步。

目前，一种用M-Z干涉仪实现量子密钥分发的方案，其干涉事件清楚地体现了量子力学中的路径选择问题，在QKD中有着重要应用。干涉仪主要由两块半反半透镜BS和两块反光镜组成，来自光源的光经过分束后分别走不同路径，当到达探测器的光路光程相同时，能产生干涉效应。因此，在两路径中加入相位调制器，通过这两个相位调制器的光脉冲就能在汇合时产生不同的干涉，从而实现在量子密钥分配中的路径选择。

基于M-Z干涉仪的量子密钥分发方案的优势，以及量子密码在网络应用的发展，现有的M-Z型的量子密钥分发结构简单，方案中采用系统自置的相位调制器件等，可实现复杂环境中震动和相位漂移的主动补偿，技术成熟；采用波分复用网络结构实现任意用户间的互通，具有很好的网络扩展性和安全性，在量子光纤网络技术中，应用复用/解复用技术在聚焦多用户通信的提高方面已取得瞩目成果，但上述研究也仅限于光纤信道中的传输，未应用到自由空间的量子网络通信，为了很好的实现量子网络通信实现的多用户轨道角动量复用网络系统还需要解决该问题。

轨道角动量(OAM)作为光学旋涡(OV)光束中描述螺旋波前特征的一个物理量，为自由空间的量子网络通信的复用提供了一个全新的自由度。当光束的振幅函数含有方位角相位项时，光束携带轨道角动量，这里的l是轨道角动量的特征值或是所谓的拓扑荷。理论上，l值是无穷的，这使运用轨道角动量状态作为信道复用的载体，为数据传输携带信号成为可能。因此，有待将轨道角动量技术应该用到自由空间的量子网络通信中。

轨道角动量光束作为轨道角动量复用(OAM-M)的信息载体，为增加自由空间量子通信系统的容量提供了潜在方法。研究证实，利用达曼光栅自主共线轨道角动量通道的产生、传输和同步探测，已获得了80/160Tbit/s容量。通过达曼光栅的轨道角动量复用技术解决了大量轨道角动量态同步跟踪的瓶颈问题，并且为光通信容量达到Pbit/s提供了可能。由于轨道角动量的正交特性，同轴OV光束携带的信息能够在自由空间传输而不存在轨道角动量信道干扰。因此，可以利用达曼光栅搭建基于轨道角动量解复用(OAM-DM)的量子网络来研究自由空间通信。

而在涡旋光束的生成方法中，利用空间光调制器生成轨道角动量，具有线形度好、光束均匀性好、响应速度快、可控性强等优势，而且可同时调制多个不同的轨道角动量，在实现生成多轨道角动量光束的发展上有着绝对优势，因此可以将空间光调制器结合应用到自由空间的量子网络通信中。

涡旋光束轨道角动量的测量是其应用的前提，特别是将光束轨道角动量维度应用于复用通信时。测量光束轨道角动量的方法有很多，常见的全息光栅测量法是利用涡旋光束与平面波的干涉图样制成全息图，将其二值化后制成振幅光栅。这种衍射光栅形状成叉状，因此称其为叉状振幅光栅。普通叉状振幅光栅的测量能力受限，源于其高阶衍射级衍射效率低。一维叉状振幅光栅生成的零级、一级、二级三个衍射光斑的能量之比为0.80:0.35:0.07，因此高级次光斑衍射能量过低而无法观测。为了很好的实现量子网络通信实现的多用户轨道角动量复用网络系统还需要该问题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种多用户轨道角动量复用网络系统及其量子密钥分发方法。

本发明的技术方案是这样实现的：多用户轨道角动量复用网络系统，包括Alice控制端，S-D型轨道角动量复用单元和多个Bob用户端，其中：

所述Alice控制端包括激光光源、偏振控制器、衰减器、第一非等臂M-Z干涉仪与轨道角动量复用单元，所述轨道角动量复用单元又包括第一准直器、空间光调制器和凸透镜；其中，所述激光光源产生特定波长的激光信号，避免因多波长传输引起的串扰与功率泄漏等影响，提高信号的稳定性；偏振控制器将对光束进行偏振调制，确保输入光束为单一偏振态以满足空间光调制器对偏振光的要求；衰减器实现光束能量的衰减，使光强达到量子水平的弱脉冲，保证了M-Z型量子密钥分发的安全通信；所述空间光调制器为纯相位型反射式液晶空间光调制器，是一种基于液晶分子电致双折射效应的有源数字光学器件，具有低电压、微功耗、小型化、轻量化、节能化、高密度化等特点。在调制光束的轨道角动量方面，具有衍射效率高、控制简单方便、可灵活变换等优势，能同时调制多个不同轨道角动量实现光信号束的复用。

所述轨道角动量解复用单元包括达曼光栅、第二准直器与单模光纤；

所述Bob用户端包括N个Bob用户，每个Bob用户包括第二非等臂M-Z干涉仪和探测装置；

优选地，所述激光光源产生的光信号由光纤进入所述偏振控制器和衰减器后传送至所述第一非等臂M-Z干涉仪，然后依次传输到所述第一准直器、空间光调制器和凸透镜上，然后光信号经所述凸透镜汇聚后传送至轨道角动量解复用单元中的达曼光栅上；达曼光栅将共线传输的轨道角动量复用信号沿不同衍射级次解复用，所述第二准直器将解复用的信号由自由空间耦合进所述单模光纤；所述单模光纤内的信号再进入到所述第二非等臂M-Z干涉仪后，最后进入到所述探测装置进行探测。

优选地，所述第一非等臂M-Z干涉仪和第二非等臂M-Z干涉仪均包括两个50:50的第一分束器、第二分束器以及长臂光纤和短臂光纤；所述长臂光纤和短臂光纤不相等，所述长臂光纤包含一个相位调制器；光信号进入所述第一非等臂M-Z干涉仪或第二非等臂M-Z干涉仪时由所述第一分束器分成两路：一路经过短臂光纤直接进入所述第二分束器中，另一路经过所述相位调制器进入到第二分束器与前一路汇合；其中所述相位调制器进行相位编码时可根据随机码选择(0、π)和(π/4、3π/4)两组正交基进行四个相位值的随机调制。

具体地，所述探测装置包括偏振分束器、第一单光子探测器和第二单光子探测器；进入到所述探测装置的脉冲后分为两部分，一部分经过所述偏振分束器进入到第一单光子探测器，另一部分直接进入到所述第二单光子探测器，最后根据探测器的响应记录探测事件；Bob用户端进行相位编码时可根据随机码选择0和π/4两个基进行随机调制，再通过探测装置测到的干涉结果与Alice控制端进行基比对，保留相同密钥舍弃错误密钥并进行密性放大后得到安全密钥。

其中，密性放大是一种通过公开通信提高数据保密性的技术，经过上述的数据协调后，发送方Alice控制端与接收方Bob用户端拥有的数据高度一致，误码率低，但窃听者可能知道部分数据，为了提高保密性，控制端与接收方Bob用户端以减小他们拥有的信息为代价，使窃听者知道的信息量变为无效。

优选地，所述激光光源用于产生特定波长的光信号束；所述偏振控制器用于实现对光束的偏振调制，所述衰减器用于调制光信号束的光强。

具体地，所述达曼光栅用于实现不同轨道角动量沿不同衍射角度的解复用，衍射角度即对应级数可以阵列式扩展。目前已有一维、二维和三维的达曼光栅。其原理如下：

达曼光栅的纯相位结构为

$\mathrm{\Ψ}=\exp \left(i\mathrm{\Φ}\right)={\mathrm{\Σ}}_{n=-\frac{N}{2}}^{\frac{N}{2}}{E}_n\exp \[in\×(\frac{2\mathrm{\π}x}{T}+l\mathrm{\θ})\]$

Φ是相位函数，N是衍射级次的总和(这里取正偶数)，T是光栅周期，n是从-N/2到N/2的衍射级次，θ是极坐标方位角，l是拓扑荷间隔(非零整数)。|E_n|²＝1/N表示第n阶相对于归一化后总能量的能量值。根据上述公式，一束高斯光入射到达曼光栅后被衍射为N级，每一级都具有相同的能量，携带n×l个拓扑荷；相反的，N个平面波从达曼光栅衍射各方向入射到光栅上后，得到轨道角动量复用到同轴OV光束上。

多用户轨道角动量复用网络系统的量子密钥分发方法，包括上述的一种多用户轨道角动量复用网络系统，其包括以下步骤：

S1.系统初始化：检查Alice控制端和各个Bob用户端设施，查看各设备是否正常运转，根据需求调试所述空间光调制器，设定各装置的初始条件；

S2.M-Z干涉臂光纤长度测试及传输链路长度测试：由所述激光光源发射光信号，分别测量信号经所述第一非等臂M-Z干涉仪与第二非等臂M-Z干涉仪分束后的两路到出射时的时间差，确定所述非等臂M-Z干涉仪中长臂光纤和短臂光纤的光纤长度；

S3.轨道角动量复用测试：由所述激光光源发射光信号，经过所述偏振控制器调制后的偏振光利用第一准直器耦合到所述空间光调制器上，对光信号进行轨道角动量复用调制，产生多个不同轨道角动量复用；

S4.轨道角动量解复用测试：将轨道角动量复用光束由达曼光栅进行解复用，根据不同衍射级次控制多路解复用传输线路；

S5.系统噪声测试：在所述激光光源不发射光信号的前提下，即脉冲数为零时，测试系统噪声水平；

S6.密钥发送：所述激光光源发射特定波长的光信号，并由Alice控制端进行偏振调制与信号衰减后在发送到第一非等臂M-Z干涉仪进行同一相位信息的加载；调制信号所需的电压与信号发送器产生的真随机码相对应，作为各自基的选择，各Bob用户段依据各自编码需要，在所述第二非等臂M-Z干涉仪上选择不同的相位调制相位；

S7.密钥筛选与成码：作为Bob用户端的M-Z型量子密钥分发系统记录探测装置的探测响应事件，与作为Alice控制端的M-Z型量子密钥分发系统公开比对基，形成筛选密钥；然后在筛选密钥中随机挑选一些数据，判断是否存在窃听，判断之后，剔除筛选数据，再次对剩余的数据进行数据协调与密性放大，得到最终的安全密钥；对安全密钥进行优先权设定。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1.本发明Alice控制端设置有第一非等臂M-Z干涉仪，所述Bob用户端中设置第二非等臂M-Z干涉仪，利用双M-Z型的QKD方案，传输稳定性比较好，而且误码率低、抗干扰能力强，能很好的实现远距离传输；在实际平台搭建上，所需器件简单，成本低廉，易操作，容易实现。

2.轨道角动量的正交特性，使同轴OV光束携带的信息能够在自由空间传输而不存在轨道角动量信道干扰；轨道角动量的拓扑荷l和方位角之间的不确定关系，使得利用轨道角动量承载信息具有很好的安全性；轨道角动量的拓扑荷l理论上可取无穷值，具有高维特性，运用轨道角动量状态作为信道复用的载体可实现任意用户数的扩展。

3.空所述间光调制器是一种基于液晶分子电致双折射效应的有源数字光学器件，具有低电压、微功耗、小型化、轻量化、节能化、高密度化等特点。在调制光束的轨道角动量方面，具有衍射效率高、控制简单方便、可灵活变换等优势，能同时调制多个不同轨道角动量实现光信号束的复用。

4.达曼光栅较普通光栅具有各级衍射能量均匀分配的优势，保证各级衍射信号的稳定性；其衍射角度即对应级数可以阵列式扩展，可选用一维、二维和三维的达曼光栅，对应测量范围更大、更方便。

5.Alice控制端能实现与Bob用户端的自由空间的量子网络通信的一对多通信，且个用户间相对独立，且用户数可由轨道角动量复用的增加而扩展，具有良好的扩展性与较高的可实施性。

附图说明

图1为轨道角动量复用与解复用的网络结构示意框图。

图2为多用户轨道角动量复用量子密钥分发系统结构示意框图。

图3为多用户轨道角动量复用量子密钥分发方法流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行进一步地说明：

参照附图1所示，为轨道角动量复用与解复用的网络，包括轨道角动量复用单元110和轨道角动量解复用单元20。所述轨道角动量复用单元110包括第一准直器111、空间光调制器112和凸透镜113；所述轨道角动量解复用单元120包括轨道角动量复用光束的自由空间传输线路200，达曼光栅201以及解复用后不同衍射级次的高斯光束001、002、003、004。

参照附图2所示，一种多用户轨道角动量复用网络系统，该系统包括一个Alice控制端10，一组S-D型轨道角动量复用单元20和多个Bob用户端30。

所述Alice控制端10包括激光光源101，偏振控制器102，衰减器103，第一非等臂M-Z干涉仪100与轨道角动量复用单元110，其中，轨道角动量复用单元110包括第一准直器111，空间光调制器112与凸透镜113。

所述第一非等臂M-Z干涉仪100包含长臂光纤104，短臂光纤105，相位调制器106和第一分束器107、第二分束器108。

所述S-D型轨道角动量复用单元20包含自由空间长距离传输线路200，达曼光栅201，第二准直器202、203、204、205和单模光纤206、207、208、209。

图1中的轨道角动量复用单元110和轨道轨道角动量解复用单元120对应于图2中的轨道角动量复用单元110和轨道轨道角动量解复用单元20，其中轨道轨道角动量解复用单元20与轨道轨道角动量解复用单元120的具体情况。

其中，所述S-D型轨道角动量复用单元20可随用户数增加而扩展，如图2所示。当Bob用户端增加为N时，所述S-D型轨道角动量复用单元可根据达曼光栅的衍射级次扩展为N个解复用线路，对应连接准直器和单模光纤。随着用户端的不断增加，道角动量复用网络也对应不断扩展，数量将不受本附图2所限制。

所述Bob用户端30包含N个Bob用户，Bob用户包含第二非等臂M-Z干涉仪和探测装置。其中，第二非等臂M-Z干涉仪包含长臂光纤304、314，短臂光纤305、315，相位调制器303、313和分束器301、302、311、312；探测装置包含偏振分束器306、316，第一多波长单光子探测器307、308和第二多波长单光子探测器317、318。

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。

本发明是一种点对多点的组网方式，特别地可以进一步延伸到多点对多点的互通方式。所述的实施例只是本发明一对多方式中的一种，显然地，它可以较易地扩展到更多应用，一个较具体代表性的轨道角动量复用量子密钥分发网络示意图如图2所示。

图1中，包括轨道角动量复用单元110和轨道角动量解复用单元120。所述轨道角动量复用单元110包括第一准直器111、空间光调制器112和凸透镜113；轨道角动量解复用单元120包括轨道角动量复用光束的自由空间传输线路200，达曼光栅201以及解复用后不同衍射级次的高斯光束001、002、003、004。

所述第一准直器111将相位编码的光信号由光纤耦合到自由空间中的空间光调制器112上，由Alice调制产生轨道角动量复用光束，复用数可根据用户数来确定，复用光束经由凸透镜113整束后传送至轨道角动量解复用单元120。

所述轨道角动量解复用单元120的光束200为Alice控制端产生的轨道角动量复用光束，在自由空间中复用光束传输至达曼光栅201，由于不同轨道角动量值对应不同衍射角，因此可实现轨道角动量的解复用，根据不同衍射级次发生分离得到高斯光001、002、003、004。轨道角动量解复用单元的解复用通道可扩展到N个传输端口多个Bob用户端，该网络系统满足一对多用户间的通信，任意两用户间互不干扰，具有很好的扩展性与独立性。

图2为本发明的多用户轨道角动量复用量子密钥分发网络系统示意图。该系统采用一对多的网络结构，涉及一个Alice控制端10，一个轨道角动量复用单元20以及N个Bob用户30，以下将以四个轨道角动量复用通信作为分析示例。

Alice控制端的激光光源101产生特定波长的光信号，经过偏振控制器102和衰减器103后获得单一偏振的弱光信号，偏振控制的目的在于保护空间光调制器112，信号衰减是为了达到单光子水平的弱信号，保证通信的安全性。

所述光信号注入到第一非等臂M-Z干涉仪100，首先通过分束器107将光信号分成相等的两个部分，其中一路由短臂光纤105传送至分束器108，另一路长臂光纤104的光信号将加载由相位调制器106调制的相位信息，再传送至分束器108，这样两部分光信号从分束器108出射时会有一个时间差。

第一准直器111将光信号从光纤耦合至自由空间并传输至空间光调制器112上。空间光调制器112为纯相位型反射式液晶空间光调制器，可同时调制多个不同轨道角动量得到复用光束，再由凸透镜113汇聚后得到平行轨道角动量复用光束，传送至轨道角动量解复用单元20。

下一阶段，轨道角动量复用光信号由达曼光栅201进行解复用，达曼光栅201根据不同轨道角动量沿不同衍射角将光信号分离，得到不同衍射级次的高斯光，并分别第二有准直器202、203、204、205耦合进单模光纤206、207、208、209，输入至Bob用户端。需要指出的是，达曼光栅可检测的轨道角动量可选用一维、二维或三维结构的阵列式，随用户数的的扩展而增加。

其中，达曼光栅将共线传输的轨道角动量复用信号沿不同衍射级次解复用，衍射角度即对应级数可以阵列式扩展，目前已有一维、二维和三维的达曼光栅。其原理如下：

达曼光栅的纯相位结构为

$\mathrm{\Ψ}=\exp \left(i\mathrm{\Φ}\right)={\mathrm{\Σ}}_{n=-\frac{N}{2}}^{\frac{N}{2}}{E}_n\exp \[in\×(\frac{2\mathrm{\π}x}{T}+l\mathrm{\θ})\]$

Φ是相位函数，N是衍射级次的总和(这里取正偶数)，T是光栅周期，n是从-N/2到N/2的衍射级次，θ是极坐标方位角，l是拓扑荷间隔(非零整数)。|E_n|²＝1/N表示第n阶相对于归一化后总能量的能量值。根据上述公式，一束高斯光入射到达曼光栅后被衍射为N级，每一级都具有相同的能量，携带n×l个拓扑荷；相反的，N个平面波从达曼光栅衍射各方向入射到光栅上后，得到轨道角动量复用到同轴OV光束上。

如图1所示，轨道角动量复用同轴OV光束入射到达曼光栅后能够分解成沿不同衍射角出射的多束高斯光，利用达曼光栅这一特性可实现信道解复用。当光束以一个特殊的拓扑荷(比如n₁×l)入射到达曼光栅时，光束衍射成N级次，可以描述为

$A^{\′}={\mathrm{\Σ}}_{n=-\frac{N}{2}}^{\frac{N}{2}}{E}_n\exp \[in\×(\frac{2\mathrm{\π}x}{T}+l\mathrm{\θ})+{\mathrm{in}}_1\×l\mathrm{\θ}\]$

值得注意的是，达曼光栅的N个级次中衍射能量等分。这就解决了传统光栅中高级次弱信号的探测问题，因而，轨道角动量信道探测的动态范围通过达曼光栅得到提高。入射同轴OV光束携带大量轨道角动量信道能够通过单个达曼光栅平行解复用，不需要额外的光分流器或者探测系统中复杂的计算机生成全息术。

因此，轨道角动量复用与解复用的网络系统通过空间光调制器和达曼光栅实现。空间光调制器产生的复用数对应Bob用户端的N个用户数，可随用户数的扩展而增加；解复用的光信号为高斯光束，经准直器将信号由自由空间偶合进单模光纤传送至Bob用户端。

以下以Bob1用户为例，分析密钥分发的过程。

光信号传输至Bob1用户的第二非等臂M-Z干涉仪，由分束器301分成两部分，一部分将穿过包含相位调制器303的长臂光纤304，Alice控制端10通过相位调制器303对经过长臂光纤304的光信号进行相位调制，根据随机选定的测量基进行调相；另一部分将穿过下方的短臂光纤305，这时进入分束器302的脉冲串有三个部分，第一部分：两次经过短臂光纤105、305的光信号；第二部分：经过一次长臂光纤104和一次短臂光纤305或经过一次短臂光纤105和一次长臂光纤304的光信号；以及第三部分：两次经过长臂光纤104、304的光信号。

需要指出的是，两个非等臂M-Z型干涉仪的长臂光纤(短臂光纤)长需保证高精度相等，以确保干涉的稳定性。在本实施例中，完成一次信号传输需经过两个非等臂M-Z型干涉仪，在最终的输出端所获得的三部分脉冲串中只有第二那部分：经过一次长臂光纤104和一次短臂光纤305或经过一次短臂光纤105和一次长臂光纤304的光信号才能出现干涉事件。该部分脉冲由分束器302输出后再次分为两部分，一部分偏振分束器306进入多波长单光子探测器307，另一部分直接进入多波长单光子探测器308，最后根据探测器的响应记录探测事件。

如图3所示，多用户轨道角动量复用网络系统的量子密钥分发方法，包括上述的一种多用户轨道角动量复用网络系统，其包括以下步骤：

S1.系统初始化：检查Alice控制端和各个Bob用户端设施，查看各设备是否正常运转，根据需求调试所述空间光调制器，设定各装置的初始条件；

S2.M-Z干涉臂光纤长度测试及传输链路长度测试：由所述激光光源发射光信号，分别测量信号经所述第一非等臂M-Z干涉仪与第二非等臂M-Z干涉仪分束后的两路到出射时的时间差，确定所述非等臂M-Z干涉仪中长臂光纤和短臂光纤的光纤长度；

S3.轨道角动量复用测试：由所述激光光源发射光信号，经过所述偏振控制器调制后的偏振光利用第一准直器耦合到所述空间光调制器上，对光信号进行轨道角动量复用调制，产生多个不同轨道角动量复用；

S4.轨道角动量解复用测试：将轨道角动量复用光束由达曼光栅进行解复用，根据不同衍射级次控制多路解复用传输线路；

S5.系统噪声测试：在所述激光光源不发射光信号的前提下，即脉冲数为零时，测试系统噪声水平；

S6.密钥发送：所述激光光源发射特定波长的光信号，并由Alice控制端进行偏振调制与信号衰减后在发送到第一非等臂M-Z干涉仪进行同一相位信息的加载；调制信号所需的电压与信号发送器产生的真随机码相对应，作为各自基的选择，各Bob用户段依据各自编码需要，在所述第二非等臂M-Z干涉仪上选择不同的相位调制相位；

S7.密钥筛选与成码：作为Bob用户端的M-Z型量子密钥分发系统记录探测装置的探测响应事件，与作为Alice控制端的M-Z型量子密钥分发系统公开比对基，形成筛选密钥；然后在筛选密钥中随机挑选一些数据，判断是否存在窃听，判断之后，剔除筛选数据，再次对剩余的数据进行数据协调与密性放大，得到最终的安全密钥；对安全密钥进行优先权设定。

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 (6)

1.多用户轨道角动量复用网络系统，其特征在于，包括Alice控制端，S-D型轨道角动量复用单元和Bob用户端，其中：

所述Alice控制端包括激光光源、偏振控制器、衰减器、第一非等臂M-Z干涉仪与轨道角动量复用单元，所述轨道角动量复用单元又包括第一准直器、空间光调制器和凸透镜；

所述轨道角动量解复用单元包括达曼光栅、第二准直器与单模光纤；

所述Bob用户端包括N个Bob用户，每个Bob用户包括第二非等臂M-Z干涉仪和探测装置；

所述激光光源产生的光信号由光纤进入所述偏振控制器和衰减器后传送至所述第一非等臂M-Z干涉仪，然后依次传输到所述第一准直器、空间光调制器和凸透镜上，然后光信号经所述凸透镜汇聚后传送至轨道角动量解复用单元中的达曼光栅上；达曼光栅将共线传输的轨道角动量复用信号沿不同衍射级次解复用，所述第二准直器将解复用的信号由自由空间耦合进所述单模光纤；所述单模光纤内的信号再进入到所述第二非等臂M-Z干涉仪后，最后进入到所述探测装置进行探测。

2.如权利要求1所述的一种多用户轨道角动量复用网络系统，其特征在于，所述第一非等臂M-Z干涉仪和第二非等臂M-Z干涉仪均包括两个50:50的第一分束器、第二分束器以及长臂光纤和短臂光纤；所述长臂光纤和短臂光纤不相等，所述长臂光纤包含一个相位调制器；光信号进入所述第一非等臂M-Z干涉仪或第二非等臂M-Z干涉仪时由所述第一分束器分成两路：一路经过短臂光纤直接进入所述第二分束器中，另一路经过所述相位调制器进入到第二分束器与前一路汇合。

3.如权利要求1所述的一种多用户轨道角动量复用网络系统，其特征在于，所述探测装置包括偏振分束器、第一单光子探测器和第二单光子探测器；进入到所述探测装置的脉冲后分为两部分，一部分经过所述偏振分束器进入到第一单光子探测器，另一部分直接进入到所述第二单光子探测器，最后根据探测器的响应记录探测事件。

4.如权利要求1所述的一种多用户轨道角动量复用网络系统，其特征在于，所述激光光源用于产生特定波长的光信号束；所述偏振控制器用于实现对光束的偏振调制，所述衰减器用于调制光信号束的光强。

5.如权利要求1所述的一种多用户轨道角动量复用网络系统，其特征在于，所述达曼光栅用于实现不同轨道角动量沿不同衍射角度的解复用，衍射角度即对应级数可以阵列式扩展。

6.多用户轨道角动量复用网络系统的量子密钥分发方法，其特征在于，包括如权利要求1-5任意所述的一种多用户轨道角动量复用网络系统，其包括以下步骤：

S1.系统初始化：检查Alice控制端和Bob用户端设施，查看各设备是否正常运转，根据需求调试所述空间光调制器，设定各装置的初始条件；

S2.M-Z干涉臂光纤长度测试及传输链路长度测试：由所述激光光源发射光信号，分别测量信号经所述第一非等臂M-Z干涉仪与第二非等臂M-Z干涉仪分束后的两路到出射时的时间差，确定所述非等臂M-Z干涉仪中长臂光纤和短臂光纤的光纤长度；

S3.轨道角动量复用测试：由所述激光光源发射光信号，经过所述偏振控制器调制后的偏振光利用第一准直器耦合到所述空间光调制器上，对光信号进行轨道角动量复用调制，产生多个不同轨道角动量复用；

S4.轨道角动量解复用测试：将轨道角动量复用光束由达曼光栅进行解复用，根据不同衍射级次控制多路解复用传输线路；

S5.系统噪声测试：在所述激光光源不发射光信号的前提下，即脉冲数为零时，测试系统噪声水平；

S6.密钥发送：所述激光光源发射特定波长的光信号，并由Alice控制端进行偏振调制与信号衰减后在发送到第一非等臂M-Z干涉仪进行同一相位信息的加载；调制信号所需的电压与信号发送器产生的真随机码相对应，作为各自基的选择，各Bob用户依据各自编码需要，在所述第二非等臂M-Z干涉仪上选择不同的相位调制相位；

S7.密钥筛选与成码：作为Bob用户端的M-Z型量子密钥分发系统记录探测装置的探测响应事件，与作为Alice控制端的M-Z型量子密钥分发系统公开比对基，形成筛选密钥；然后在筛选密钥中随机挑选一些数据，判断是否存在窃听，判断之后，剔除筛选数据，再次对剩余的数据进行数据协调与密性放大，得到最终的安全密钥；对安全密钥进行优先权设定。