CN105391547B - 一种m-z型轨道角动量纠缠密钥分发方法与网络系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种M‑Z型轨道角动量纠缠密钥分发方法与网络系统，包括Alice控制端、M‑Z型复用单元和Bob用户端。Alice控制端包括纠缠产生单元、调制单元和符合测量单元；M‑Z型复用单元包括第一复用模块和第二复用模块；Bob用户端包括Bob1和Bob2用户。纠缠产生单元产生携带奇偶拓扑荷OAM纠缠的闲置光和信号光,其中信号光依次经过第一复用模块、调制单元、符合测量单元；闲置光依次经过第二复用模块、Bob用户端最后和信号光在符合测量单元汇合进行密钥分配与共享。本发明利用携带光束旋转器的M‑Z干涉仪可以分离奇数和偶数OAM的特性，实现了基于OAM纠缠奇偶拓扑荷调制编解码的大容量一对二QKD网络通信系统，工程应用性广泛和可扩展性强。
Description
技术领域
本发明涉及自由空间通信与量子通信网络领域，具体地涉及一种M-Z型轨道角动量纠缠密钥分发方法与网络系统。
背景技术
传统密码技术的安全性由数学上的计算复杂度来保证，但随着目前计算能力的进步和提高，传统密码技术的安全性受到巨大威胁。而量子密码技术的安全性不依赖于计算的复杂度，其安全性以量子力学的海森堡测不准原理和未知量子态不可克隆原理为依据。量子密钥分发(Quantum Key Distribution，QKD)是以量子力学基本原理为基础，让处于不同地理位置的合法参与者(通常用Alice和Bob表示)分享密钥，而且在理论上是具有无条件安全性的。
在QKD光通信中，目前信息载体大多数是采用微弱光脉冲的偏振或相位。利用微弱光脉冲的偏振或相位只能实现二进制数据的传输。与这些自由度相比，轨道角动量(Orbital Angular Momentum，OAM)是一个新的自由度并可以作为数据信息载体。1992年，荷兰莱顿大学的Allen团队从理论上证明光子中含有确定的轨道角动量lh。光的OAM和复电场相位角有关,OAM来源于绕传播方向的相位波前。一个光子OAM值为lh对应螺旋形等相位面,螺旋相位项为exp(ilφ),l为OAM拓扑荷,l的正负代表旋转方向不同，φ为极坐标系中的极角。由于l可以取任意整数,所以单光子有无数个OAM正交本征态,即光子OAM具有高维特性。因此，若以光子OAM作为信息的载体来编码信息可以实现一个高维的Hilbert空间中多位量子态编码(qubits)，能够显著增大光子携带信息容量，提高编码安全性。
在QKD系统中，编码量子信息的载体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相关性，所以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。2001年，Mair团队在实验上证明了自发参量下转换过程可以产生双光子OAM纠缠态。但目前大部分基于OAM的QKD是点对点应用，无法直接拓展到多用户网络应用，这成为限制其走向大规模应用的重要滞碍之一。
目前已有的QKD网络主要采用基于光学节点和可信中继的网络，其中光学节点可以采用光开关、分光器、波分复用器或者其他光学被动器件，基于可信中继的难点在于保持中继的可靠性，而且这些QKD网络器件的选择是针对相位或者偏振等其他自由度的。对于OAM自由度，目前最常用的QKD网络器件是达曼光栅，但达曼光栅制作复杂，对材料要求精准，OAM自由度被破坏只能用来复用多信道，不能利用OAM来编解码。当前，携带光束旋转器的M-Z干涉仪结构简单，不仅可以分离奇数和偶数OAM，而且没有破坏OAM自由度，从而，我们利用此装置既可以复用信道，还可以用OAM自由度来编解码进行大容量多用户的量子网络通信。因此，如何设计一个基于OAM纠缠且简单的多用户量子密钥分发系统就显得十分重要，其中，特别是不同通信安全级别的区域间一对二的网络通信，如同城经济圈数据服务、一校三区等区域之间的安全通信。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供了一种M-Z型轨道角动量纠缠密钥分发方法与网络系统。
本发明的技术方案是这样实现的：一种M-Z型轨道角动量纠缠密钥分发网络系统，包括Alice控制端、M-Z型复用单元和Bob用户端，
所述Alice控制端包括纠缠产生单元、调制单元和符合测量单元，所述纠缠产生单元包括泵浦光源LD、第一全反射镜和BBO晶体；
所述M-Z型复用单元包括第一复用模块和第二复用模块，其中所述第一复用模块包括第一分束器BS、第二分束器BS、第一光束旋转器BR和第二至第五共四个全反射镜；所述第二复用模块包括第三分束器BS、第四分束器BS、第二光束旋转器BR和第六至第九共四个全反射镜；
所述Bob用户端包括Bob1和Bob2用户；
所述泵浦光源LD产生泵浦激光脉冲，所述激光脉冲经第一全反射镜改变传播方向后输入到BBO晶体中，在所述BBO晶体参量下转换过程产生携带奇偶拓扑荷OAM纠缠态的信号光和闲置光并分成两光路：信号光路和闲置光路；
所述信号光路路线：从所述BBO晶体输出的携带奇偶拓扑荷OAM纠缠态的激光脉冲依次输入到所述第二全反射镜，然后改变光路后进入到所述第一分束器BS，接着信号光以50：50的比例分成两束,其中一束信号光经过第四全反射镜改变传播方向后直接传输到第二分束器BS，另一束信号光经过第三全反射镜改变光路后经过第一光束旋转器BR也同时进入到第二分束器BS；所述两束信号光在所述第二分束器处BS处发生干涉，干涉后出射的两束光分别进入到所述调制单元，最后进入到所述符合测量单元进行测量；
所述闲置光路路线：从所述BBO晶体输出的携带奇偶拓扑荷OAM纠缠态的激光脉冲依次输入到所述第六全反射镜然后改变光路后进入到第三分束器BS，接着闲置光以50：50比例分成两束,其中一束闲置光经过第八全反射镜改变传播方向后直接传输到所述第四分束器BS，另一束闲置光经过第七全反射镜改变光路后经过第二光束旋转器BR也同时进入所述第四分束器BS；然后所述两束闲置光在所述第四分束器BS处发生干涉，干涉后出射的两束光分别进入到Bob用户端，最后与所述信号光一起进入到所述符合测量单元进行测量。
具体地，所述调制单元包括并列的第三和第四计算机控制的空间光调制器SLM以及并列的第三和第四两条单模光纤SMF，其中所述第三计算机控制的空间光调制器SLM与第三单模光纤SMF连接，所述第四计算机控制的空间光调制器SLM与第四单模光纤SMF连接；所述第三计算机控制的空间光调制器SLM直接与所述第二分束器BS连接，所述第三单模光纤SMF与所述符合测量单元连接；所述第四计算机控制的空间光调制器SLM通过第五全反射镜与所述第二分束器BS连接，所述第四单模光纤SMF与所述符合测量单元连接。
具体地，所述Bob1用户包括第二计算机控制的空间光调制器SLM和与其连接的第二单模光纤SMF；所述Bob2用户包括第一计算机控制的空间光调制器SLM和与其连接的第一单模光纤SMF；所述第二计算机控制的空间光调制器SLM通过第九全反射镜与所述第四分束器BS连接，第二单模光纤SMF与所述符合测量单元连接；所述第一计算机控制的空间光调制器SLM与所述第四分束器BS连接，第一单模光纤SMF与所述符合测量单元连接。
优选地，所述符合测量单元包括第一至第四共四个单光子探测器以及第一符合计数器和第二符合计数器；所述信号光路路线和闲置光路路线进入所述符合测量单元时的具体光路路线如下：
信号光路路线：从所述BBO晶体输出的携带偶拓扑荷OAM纠缠态的激光脉冲依次输入到所述第一复用模块、第三计算机控制的空间光调制器SLM、第三单模光纤SMF、第一单光子探测器最后将其探测结果输入到所述第一符合计数器中；从所述BBO晶体输出的携带奇拓扑荷OAM纠缠态的激光脉冲依次输入到所述第一复用模块、第四计算机控制的空间光调制器SLM、第四单模光纤SMF、第三单光子探测器最后将其探测结果输入到所述第二符合计数器中；
闲置光路路线：从所述BBO晶体输出的携带偶拓扑荷OAM纠缠态的激光脉冲依次输入到所述第二复用模块、第一计算机控制的空间光调制器SLM、第一单模光纤SMF、第二单光子探测器最后将其探测结果输入到所述第一符合计数器中；从所述BBO晶体输出的携带奇拓扑荷OAM纠缠态的激光脉冲依次输入到所述第二复用模块、第二计算机控制的空间光调制器SLM、第二单模光纤SMF、第四单光子探测器最后将其探测结果输入到所述第二符合计数器中。
一种M-Z型轨道角动量纠缠密钥分发方法，包括上述所述的M-Z型轨道角动量纠缠密钥分发网络系统，其包括以下步骤：
S1.奇偶拓扑荷OAM纠缠光脉冲的产生：泵浦光源LD产生激光脉冲，所述激光脉冲经第一全反射镜改变传播方向后垂直照射BBO晶体，通过BBO晶体参量下转换产生携带奇偶拓扑荷OAM纠缠态的信号光和闲置光；
S2.OAM纠缠的M-Z型复用：在信号光光路和闲置光光路中分别用携带光束旋转器BR的M-Z干涉仪对OAM拓扑荷为奇数和偶数的纠缠态进行分离；
S3.奇偶拓扑荷OAM调制：Alice控制端中的调制单元根据OAM拓扑荷奇偶不同分别对信号光携带的OAM进行调制，加载编码信息，并将编码信息发送给所述符合测量单元；
S4.两Bob用户OAM调制：在闲置光路中，Bob1用户对OAM拓扑荷为奇数的闲置光携带的轨道角动量态进行调制，加载编码信息，并将编码的信息发送给符合测量单元；Bob2用户对OAM拓扑荷为偶数的闲置光携带的轨道角动量态进行调制，加载编码信息，并将编码的信息发送给符合测量单元；
S5.密钥分配与共享：Alice控制端根据需要选取不同的合法通信用户，通过单光子探测器记录下单位时间内到达的相同OAM拓扑荷的信号光子和闲置光子，并将记录下的探测数据发送到符合计数器，最后符合计数器将相同OAM拓扑荷的探测数据进行符合测量，根据符合测量结果恢复出编码的密钥并建立随机秘密的序列作为原始密码，经过密钥筛选和隐私放大获得安全密钥，从而完成两Bob用户密钥分配与共享。
优选地，所述S2步骤中还包括以下步骤：
S2-1.信号光复用：在信号光路中，携带奇偶拓扑荷OAM纠缠的信号光经第二全反射镜改变传输方向后进入第一复用模块，其中携带偶拓扑荷OAM纠缠的信号光从第二分束器BS出来直接进入所述调制单元中的第三计算机控制的空间光调制器SLM；携带奇拓扑荷OAM纠缠的信号光从第二分束器BS出来再经第五全反射镜改变传播方向后进入所述调制单元中的第四计算机控制的空间光调制器SLM；
S2-2.闲置光复用：在闲置光路中，携带奇偶拓扑荷OAM纠缠的闲置光经第六全反射镜改变传输方向后进入第二复用模块，其中携带偶拓扑荷OAM纠缠的闲置光从第四分束器BS出来直接进入所述Bob2用户的第一计算机控制的空间光调制器SLM；携带奇拓扑荷OAM纠缠的闲置光从第四分束器BS出来再经第九全反射镜改变传播方向后进入所述Bob1用户的第二计算机控制的空间光调制器SLM。
优选地，所述S3步骤中还包括以下步骤：
S3-1.偶调制：从第一复用模块出来的携带偶拓扑荷OAM纠缠的信号光进入所述调制单元中的第三计算机控制的空间光调制器SLM进行OAM调制加载信息，加载信息经第三单模光纤SMF耦合发送到所述符合测量单元中的第一单光子探测器；
S3-2.奇调制：从第一复用模块出来的携带奇拓扑荷OAM纠缠的信号光进入所述调制单元中的第四计算机控制的空间光调制器SLM进行OAM调制加载信息，加载信息经第四单模光纤SMF耦合发送到所述符合测量单元中的第三单光子探测器。
优选地，所述S4步骤中还包括以下步骤：
S4-1.Bob2调制：从第二复用模块出来的携带偶拓扑荷OAM纠缠的闲置光进入所述Bob2用户的第一计算机控制的空间光调制器SLM进行OAM调制加载信息，加载信息经第一单模光纤SMF耦合发送到所述符合测量单元中的第二单光子探测器；
S4-2.Bob1调制：从第二复用模块出来的携带奇拓扑荷OAM纠缠的闲置光进入所述Bob1用户的第二计算机控制的空间光调制器SLM进行OAM调制加载信息，加载信息经第二单模光纤SMF耦合发送到所述符合测量单元中的第四单光子探测器。
优选地，所述S5步骤中还包括以下步骤：
S5-1.与Bob1通信：当Alice与Bob1通信时，通过单光子探测器记录下单位时间内到达的奇拓扑荷OAM的信号光子和闲置光子，并将记录下的探测数据发送到符合计数器，最后符合计数器对探测数据进行符合测量；
S5-2.与Bob2通信：当Alice与Bob2通信时，通过单光子探测器记录下单位时间内到达的偶拓扑荷OAM的信号光子和闲置光子，并将记录下的探测数据发送到符合计数器，最后符合计数器对探测数据进行符合测量。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1、本发明提出了一种基于OAM纠缠奇偶拓扑荷调制编解码的大容量一对二QKD网络通信系统；
2、本发明中用简单的携带光束旋转器的M-Z干涉仪作为QKD网络系统的关键器件，使该QKD网络具有安全性好、容易实现的优点；
3、本发明系统设计合理结构简单，使用操作方便，可扩展性强，将本方案运用到多个M-Z型复用单元级联可以完成多用户OAM量子密钥分发。
附图说明
图1为本发明所述的一种M-Z型轨道角动量纠缠密钥分发网络系统的结构示意图。
图2为本发明所述的一种M-Z型轨道角动量纠缠密钥分发网络系统的框架示意图。
图3为本发明所述的一种M-Z型轨道角动量纠缠密钥分发方法的流程示意图。
图中，各标号对应的名称：Alice控制端：1-纠缠产生单元，101-泵浦光源LD，102-第一全反射镜，103-BBO晶体；2-调制单元，201-第三计算机控制的空间光调制器SLM，202-第三单模光纤SMF，203-第四计算机控制的空间光调制器SLM，204-第四单模光纤SMF；3-符合测量单元，301-第一单光子探测器，302-第一符合计数器，303-第二单光子探测器，304-第三单光子探测器，305-第二符合计数器，306-第四单光子探测器；M-Z型复用单元：4-第一复用模块，401-第二全反射镜，402-第一分束器BS，403-第三全反射镜，404-第一光束旋转器BR，405-第二分束器BS，406-第四全反射镜，407-第五全反射镜；5-第二复用模块，501-第六全反射镜，502-第三分束器BS，503-第七全反射镜，504-第二光束旋转器BR，505-第四分束器BS，506-第八全反射镜，507-第九全反射镜；Bob用户端：Bob1用户，601-第二计算机控制的空间光调制器SLM，602-第二单模光纤SMF；Bob2用户，603-第一计算机控制的空间光调制器SLM，604-第一单模光纤SMF。
具体实施方式
以下结合附图1-3对本发明的具体实施方式做进一步说明：
参照附图1所示，一种M-Z型轨道角动量纠缠密钥分发网络系统，该系统包括Alice控制端、M-Z型复用单元和Bob用户端。所述Alice控制端包括纠缠产生单元、调制单元和符合测量单元；所述M-Z型复用单元包括第一复用模块和第二复用模块；所述Bob用户端包括Bob1和Bob2用户。
参照附图2所示，所述Alice控制端包括纠缠产生单元1、调制单元2和符合测量单元3；其中所述纠缠产生单元1包括泵浦光源LD101、第一全反射镜102和BBO晶体103；所述调制单元2包括第三计算机控制的空间光调制器SLM201、第三单模光纤SMF202、第四计算机控制的空间光调制器SLM203和第四单模光纤SMF204；所述符合测量单元3包括第一单光子探测器301、第一符合计数器302、第二单光子探测器303、第三单光子探测器304、第二符合计数器305和第四单光子探测器306；
所述M-Z型复用单元包括第一复用模块4和第二复用模块5；其中第一复用模块4包括第二全反射镜401、第一分束器BS402、第三全反射镜403、第一光束旋转器BR404、第二分束器BS405、第四全反射镜406和第五全反射镜407；第二复用模块5包括第六全反射镜501、第三分束器BS502、第七全反射镜503、第二光束旋转器BR504、第四分束器BS505、第八全反射镜506和第九全反射镜507；
所述Bob用户端包括Bob1和Bob2用户，其中Bob1用户包括第二计算机控制的空间光调制器SLM601和第二单模光纤SMF602；Bob2用户包括第一计算机控制的空间光调制器SLM603和第一单模光纤SMF604。
所述纠缠产生单元1用于产生携带奇偶拓扑荷OAM纠缠态的信号光和闲置光；所述第一复用模块4与纠缠产生单元1连接，其根据拓扑荷奇偶不同对信号光子中的OAM进行分离；所述调制单元2与第一复用模块4连接，所述调制单元2根据OAM拓扑荷奇偶不同分别对信号光携带的OAM进行调制，加载编码信息，并将编码信息发送给符合测量单元3；所述第二复用模块5与纠缠产生单元1连接，其根据拓扑荷奇偶不同对闲置光子中的OAM进行分离；所述Bob1用户与第二复用模块5连接，所述Bob1用户用于对OAM拓扑荷为奇数的闲置光携带的OAM进行调制，加载编码信息，并将编码信息发送给符合测量单元3；所述Bob2用户与第二复用模块5连接，所述Bob2用户用于对OAM拓扑荷为偶数的闲置光携带的OAM进行调制，加载编码信息，并将编码信息发送给符合测量单元3；所述符合测量单元3在调制单元2和Bob用户端之间，并分别与其相连接，用于将调制单元2和Bob用户端发送到的相同OAM拓扑荷的编码信息进行记录，并将符合事件进行测量解码。
所述泵浦光源LD101用于产生泵浦激光脉冲；所述第一全反射镜102与所述泵浦光源LD101连接，用于改变光路和光的传播方向；所述BBO晶体103与所述第一全反射镜102连接，用于产生奇偶拓扑荷OAM纠缠光子对。
所述第二全反射镜401与所述纠缠产生单元1中的BBO晶体103连接，用于改变信号光的传播方向；所述第一分束器BS402与所述第二全反射镜401连接，其分束比为50：50，用于将一束信号光分成两束；所述第三、第四全反射镜403、406都与所述第一分束器BS402连接，用于改变信号光的传播方向；所述第一光束旋转器BR404与所述第三全反射镜403连接，用于使第一分束器BS402出来的两束信号光产生α＝π的相位差，从而携带OAM的信号光子将在第二分束器BS405处发生相增干涉或者相消干涉；所述第二分束器BS405与所述第一光束旋转器BR404和所述第四全反射镜406连接，其分束比为50：50，用于对信号光进行分束，一束为在第二分束器BS405处发生相增干涉的OAM拓扑荷为奇数的信号光，另一束为在第二分束器BS405处发生相增干涉的OAM拓扑荷为偶数的信号光；所述第五全反射镜407与所述第二分束器BS405连接，用于改变OAM拓扑荷为奇数信号光的传播方向；所述第六全反射镜501与所述纠缠产生单元1中的BBO晶体103连接，用于改变闲置光的传播方向；所述第三分束器BS502与所述第六全反射镜501连接，其分束比为50：50，用于将一束闲置光分成两束；所述第七、第八全反射镜503、506都与所述第三分束器BS502连接，用于改变闲置光的传播方向；所述第二光束旋转器BR504与所述第七全反射镜503连接，用于使第三分束器BS502出来的两束闲置光产生α＝π的相位差，从而携带OAM的闲置光子将在第四分束器BS505处发生相增干涉或者相消干涉；所述第四分束器BS505与所述第二光束旋转器BR504和所述第八全反射镜506连接，其分束比为50：50，所述第四分束器BS505用于对闲置光进行分束，一束为在第四分束器BS505处发生相增干涉的OAM量子数为奇数的闲置光，另一束为在第四分束器BS505处发生相增干涉的OAM量子数为偶数的闲置光；所述第九全反射镜507与所述第四分束器BS505连接，用于改变OAM拓扑荷为奇数闲置光的传播方向。
所述第三计算机控制的空间光调制器SLM201与所述第一复用模块4中的第二分束器BS405连接，用于对OAM拓扑荷为偶数的信号光携带的OAM进行调制；所述第三单模光纤SMF202与所述第三计算机控制的空间光调制器SLM201连接，用于对经第三计算机控制的空间光调制器SLM201调制过的信号光子进行耦合发送给符合测量单元3；所述第四计算机控制的空间光调制器SLM203与所述第一复用模块4中的的第五全反射镜407连接，用于对OAM拓扑荷为奇数的信号光携带的OAM进行调制；所述第四单模光纤SMF204与所述第四计算机控制的空间光调制器SLM203连接，用于对经第四计算机控制的空间光调制器SLM203调制过的信号光子进行耦合发送给符合测量单元3。
对于Bob1用户，所述第二计算机控制的空间光调制器SLM601与所述第二复用模块5中的第九全反射镜507连接，用于对OAM拓扑荷为奇数的闲置光携带的OAM进行调制；所述第二单模光纤SMF602与所述第二计算机控制的空间光调制器SLM601连接，用于对经第二计算机控制的空间光调制器SLM601调制过的闲置光子进行耦合发送给符合测量单元3。
对于Bob2用户，所述第一计算机控制的空间光调制器SLM603与所述第二复用模块5中的第四分束器BS505连接，用于对OAM拓扑荷为偶数的闲置光携带的OAM进行调制；所述第一单模光纤SMF604与所述第一计算机控制的空间光调制器SLM603连接，用于对经第一计算机控制的空间光调制器SLM603调制过的闲置光子进行耦合发送给符合测量单元3。
所述第一单光子探测器301与所述调制单元2中的第三单模光纤SMF202连接，用来记录单位时间内到达的OAM量子数为偶数的信号光子；所述第二单光子探测器303与所述Bob2用户中的第一单模光纤SMF604相连接，用来记录单位时间内到达的OAM量子数为偶数的闲置光子；所述第一符合计数器302在第一单光子探测器301和第二单光子探测器303之间，并与他们连接，用于对从第一单光子探测器301和第二单光子探测器303传输来的信息进行测量解码；所述第三单光子探测器304与所述调制单元2中的第四单模光纤SMF204连接，用来记录单位时间内到达的OAM量子数为奇数的信号光子；所述第四单光子探测器306与所述Bob1用户中的第二单模光纤SMF602相连接，用来记录单位时间内到达的OAM量子数为奇数的闲置光子；所述第二符合计数器305在第三单光子探测器304和第四单光子探测器306之间，并与他们连接，用于对从第三单光子探测器304和第四单光子探测器306传输来的信息进行测量解码。
具体地，本发明工作原理如下：该M-Z型轨道角动量纠缠密钥分发网络系统中泵浦光源LD101产生泵浦激光脉冲，激光脉冲经第一全反射镜102改变光路后垂直照射BBO晶体103，通过BBO晶体103参量下转换产生携带奇偶拓扑荷OAM纠缠的信号光和闲置光，此时纠缠光子对量子态为：其中S和I分别表示信号光子和闲置光子，l表示OAM拓扑荷，|cl|2表示产生OAM纠缠光子对的概率。
从BBO晶体103中出来的闲置光进入第二复用模块5,经第六全反射镜501改变光路后进入第三分束器BS502，闲置光被50：50分成两束，其中一束闲置光经过第八全反射镜506改变传播方向后直接传输到第四分束器BS505，另一束闲置光经过第七全反射镜503改变光路后经过第二光束旋转器BR504也同时进入第四分束器BS505，由于第二光束旋转器BR504的作用使从第三分束器BS502出来的两路闲置光之间存在α＝π的相位差，从而携带奇偶拓扑荷OAM的闲置光子将在第四分束器BS505处发生相增干涉或者相消干涉，从第四分束器BS505出来后一束为在第四分束器BS505处发生相增干涉的OAM拓扑荷为奇数的闲置光，另一束为在第四分束器BS505处发生相增干涉的OAM拓扑荷为偶数的闲置光，这样就可以将OAM拓扑荷l为奇数和偶数的两路作为两个不同的Bob用户，完成两Bob用户安全通信。
从第四分束器BS505出来的闲置光进入Bob用户端，对于Bob1用户，OAM拓扑荷为奇数的闲置光经第九全反射镜507改变光路后进入第二计算机控制的空间光调制器SLM601,第二计算机控制的空间光调制器SLM601对OAM拓扑荷为奇数的闲置光携带的OAM进行调制，此时经OAM调制后的量子态可以表示为其中，θI与扇形态的方向相关的变量。经第二计算机控制的空间光调制器SLM601OAM调制后的闲置光经过第二单模光纤SMF602耦合后发送给符合测量单元3中第四单光子探测器306；对于Bob2用户，第一计算机控制的空间光调制器SLM603对OAM拓扑荷为偶数的闲置光携带的OAM进行调制，此时经OAM调制后的量子态可以表示为其中，θI与扇形态的方向相关的变量。经第一计算机控制的空间光调制器SLM603OAM调制后的闲置光经过第一单模光纤SMF604耦合后发送给符合测量单元3中第二单光子探测器303。
从BBO晶体103中出来的信号光进入第一复用模块4,经第二全反射镜401改变光路后进入第一分束器BS402，信号光被50：50分成两束，其中一束信号光经过第四全反射镜406改变传播方向后直接传输到第二分束器BS405，另一束信号光经过第三全反射镜403改变光路后经过第一光束旋转器BR404也同时进入第二分束器BS405，由于第一光束旋转器BR404的作用使从第一分束器BS402出来的两路信号光之间存在α＝π的相位差，从而携带OAM的信号光子将在第二分束器BS405处发生相增干涉或者相消干涉，从第二分束器BS405出来后一束为在第二分束器BS405处发生相增干涉的OAM拓扑荷为奇数的信号光，另一束为在第二分束器BS405处发生相增干涉的OAM拓扑荷为偶数的信号光，这样Alice控制端就可以根据OAM拓扑荷l为奇数和偶数的不同与两Bob用户进行安全通信。
从第二分束器BS405出来的信号光进入调制单元2，当与Bob1用户通信时，OAM拓扑荷为奇数的信号光经第五全反射镜407改变光路后进入第四计算机控制的空间光调制器SLM203,第四计算机控制的空间光调制器SLM203对OAM拓扑荷为奇数的信号光携带的OAM进行调制，此时经OAM调制后的量子态可以表示为其中，θS与扇形态的方向相关的变量。经第四计算机控制的空间光调制器SLM203OAM调制后的信号光经过第四单模光纤SMF204耦合后发送给符合测量单元3中的第三单光子探测器304；当与Bob2用户通信时，第三计算机控制的空间光调制器SLM201对OAM拓扑荷为偶数的信号光携带的OAM进行调制，此时经OAM调制后的量子态可以表示为其中，θS与扇形态的方向相关的变量。经第三计算机控制的空间光调制器SLM201OAM调制后的信号光经过第三单模光纤SMF202耦合后发送给符合测量单元3中的第一单光子探测器301。
Alice端根据通信需要选取不同的合法用户，当Alice与Bob1通信时：Alice用第三单光子探测器304记录下单位时间内到达的调制单元2中第四单模光纤SMF204传输来的信号光子，并将记录下的探测数据发送到第二符合计数器305，同时用第四单光子探测器306记录下单位时间内到达的Bob1用户中第二单模光纤SMF602传输来的闲置光子，并将记录下的探测数据发送到第二符合计数器305，最后第二符合计数器305根据两个单光子探测器传输来的调制信息进行符合测量并解码，此时两路符合概率函数如下所示：
其中，角θ与扇形态的方向相关的变量；当Alice与Bob2通信时：Alice用第一单光子探测器301记录下单位时间内到达的调制单元2中第三单模光纤SMF202传输来的信号光子，并将记录下的探测数据发送到第一符合计数器302，同时用第二单光子探测器303记录下单位时间内到达的Bob2用户中第一单模光纤SMF604传输来的闲置光子，并将记录下的探测数据发送到第一符合计数器302，最后第一符合计数器302根据两个单光子探测器传输来的调制信息进行符合测量并解码，此时两路符合概率函数如下所示：
其中，角θ与扇形态的方向相关的变量。
基于以上结构和原理可知所述泵浦光源LD101产生的泵浦激光脉冲在该系统的信号传输路线如下：
所述泵浦光源LD101产生泵浦激光脉冲，这激光脉冲经第一全反射镜102改变传播方向后输入到BBO晶体103中，在所述BBO晶体103参量下转换过程产生携带奇偶拓扑荷OAM纠缠态的信号光和闲置光并分成两光路：信号光路和闲置光路；
具体地，信号光和闲置光在整个系统中的光路路线如下：
所述信号光路路线：从所述BBO晶体103输出的携带奇偶拓扑荷OAM纠缠态的激光脉冲依次输入到所述第二全反射镜401，然后改变光路后进入到所述第一分束器BS402，接着信号光以50：50的比例分成两束；其中一束信号光经过第四全反射镜406改变传播方向后直接传输到第二分束器BS405，另一束信号光经过第三全反射镜403改变光路后经过第一光束旋转器BR404也同时进入到第二分束器BS405；所述两束信号光在所述第二分束器处BS405处发生干涉,干涉后出射的两束光分别为携带奇拓扑荷OAM纠缠态的信号光和携带偶拓扑荷OAM纠缠态的信号光，其中，携带偶拓扑荷OAM纠缠态的信号光进入到所述调制单元2的第三计算机控制的空间光调制器SLM201中；所述第三计算机控制的空间光调制器SLM201中的信号光依次经过第三单模光纤SMF201、第一单光子探测器301最后将其探测结果输入到所述第一符合计数器302中；携带奇拓扑荷OAM纠缠态的信号光经第五全反射镜407改变光路后进入到所述调制单元2的第四计算机控制的空间光调制器SLM203中；所述第四计算机控制的空间光调制器SLM203中信号光依次经过第四单模光纤SMF204、第三单光子探测器304最后将其探测结果输入到所述第二符合计数器305中；
所述闲置光路路线：从所述BBO晶体103输出的携带奇偶拓扑荷OAM纠缠态的激光脉冲依次输入到所述第六全反射镜501然后改变光路后进入到第三分束器BS502，接着闲置光以50：50比例分成两束；其中一束闲置光经过第八全反射镜506改变传播方向后直接传输到所述第四分束器BS505，另一束闲置光经过第七全反射镜503改变光路后经过第二光束旋转器BR504也同时进入所述第四分束器BS505；然后所述两束闲置光在所述第四分束器BS406处发生干涉，干涉后出射的两束光分别为携带奇拓扑荷OAM纠缠态的闲置光和携带偶拓扑荷OAM纠缠态的闲置光，其中，携带奇拓扑荷OAM纠缠态的信号光经第九全反射镜507改变光路后进入到Bob1用户中；携带奇拓扑荷OAM纠缠态的闲置光在Bob1用户中依次经过第二计算机控制的空间光调制器SLM601、第二单模光纤SMF602、第四单光子探测器306最后将其探测结果输入到所述第二符合计数器305中；携带偶拓扑荷OAM纠缠态的信号光进入到Bob2用户中，携带偶拓扑荷OAM纠缠态的闲置光在Bob2用户中依次经过第一计算机控制的空间光调制器SLM603、第一单模光纤SMF604、第二单光子探测器303最后将其探测结果输入到所述第一符合计数器302中。
如图3所示，基于上述M-Z型轨道角动量纠缠密钥分发方法其包括以下步骤：
S1.奇偶拓扑荷OAM纠缠光脉冲的产生：泵浦光源LD产生激光脉冲，所述激光脉冲经第一全反射镜改变传播方向后垂直照射BBO晶体，通过BBO晶体参量下转换产生携带奇偶拓扑荷OAM纠缠态的信号光和闲置光；
S2.OAM纠缠的M-Z型复用：在信号光光路和闲置光光路中分别用携带光束旋转器BR的M-Z干涉仪对OAM拓扑荷为奇数和偶数的纠缠态进行分离；
S3.奇偶拓扑荷OAM调制：Alice控制端中的调制单元根据OAM拓扑荷奇偶不同分别对信号光携带的OAM进行调制，加载编码信息，并将编码信息发送给所述符合测量单元；
S4.两Bob用户OAM调制：在闲置光路中，Bob1用户对OAM拓扑荷为奇数的闲置光携带的轨道角动量态进行调制，加载编码信息，并将编码的信息发送给符合测量单元；Bob2用户对OAM拓扑荷为偶数的闲置光携带的轨道角动量态进行调制，加载编码信息，并将编码的信息发送给符合测量单元；
S5.密钥分配与共享：Alice控制端根据需要选取不同的合法通信用户，通过单光子探测器记录下单位时间内到达的相同OAM拓扑荷的信号光子和闲置光子，并将记录下的探测数据发送到符合计数器，最后符合计数器将相同OAM拓扑荷的探测数据进行符合测量，根据符合测量结果恢复出编码的密钥并建立随机秘密的序列作为原始密码，经过密钥筛选和隐私放大获得安全密钥，从而完成两Bob用户密钥分配与共享。
进一步地，所述S2步骤中还包括以下步骤：
S2-1.信号光复用：在信号光路中，携带奇偶拓扑荷OAM纠缠的信号光经第二全反射镜改变传输方向后进入第一复用模块，其中携带偶拓扑荷OAM纠缠的信号光从第二分束器BS出来直接进入所述调制单元中的第三计算机控制的空间光调制器SLM；携带奇拓扑荷OAM纠缠的信号光从第二分束器BS出来再经第五全反射镜改变传播方向后进入所述调制单元中的第四计算机控制的空间光调制器SLM；
S2-2.闲置光复用：在闲置光路中，携带奇偶拓扑荷OAM纠缠的闲置光经第六全反射镜改变传输方向后进入第二复用模块，其中携带偶拓扑荷OAM纠缠的闲置光从第四分束器BS出来直接进入所述Bob2用户的第一计算机控制的空间光调制器SLM；携带奇拓扑荷OAM纠缠的闲置光从第四分束器BS出来再经第九全反射镜改变传播方向后进入所述Bob1用户的第二计算机控制的空间光调制器SLM。
进一步地，所述S3步骤中还包括以下步骤：
S3-1.偶调制：从第一复用模块出来的携带偶拓扑荷OAM纠缠的信号光进入所述调制单元中的第三计算机控制的空间光调制器SLM进行OAM调制加载信息，加载信息经第三单模光纤SMF耦合发送到所述符合测量单元中的第一单光子探测器；
S3-2.奇调制：从第一复用模块出来的携带奇拓扑荷OAM纠缠的信号光进入所述调制单元中的第四计算机控制的空间光调制器SLM进行OAM调制加载信息，加载信息经第四单模光纤SMF耦合发送到所述符合测量单元中的第三单光子探测器。
进一步地，所述S4步骤中还包括以下步骤：
S4-1.Bob2调制：从第二复用模块出来的携带偶拓扑荷OAM纠缠的闲置光进入所述Bob2用户的第一计算机控制的空间光调制器SLM进行OAM调制加载信息，加载信息经第一单模光纤SMF耦合发送到所述符合测量单元中的第二单光子探测器；
S4-2.Bob1调制：从第二复用模块出来的携带奇拓扑荷OAM纠缠的闲置光进入所述Bob1用户的第二计算机控制的空间光调制器SLM进行OAM调制加载信息，加载信息经第二单模光纤SMF耦合发送到所述符合测量单元中的第四单光子探测器。
进一步地，所述S5步骤中还包括以下步骤：
S5-1.与Bob1通信：当Alice与Bob1通信时，通过单光子探测器记录下单位时间内到达的奇拓扑荷OAM的信号光子和闲置光子，并将记录下的探测数据发送到符合计数器，最后符合计数器对探测数据进行符合测量；
S5-2.与Bob2通信：当Alice与Bob2通信时，通过单光子探测器记录下单位时间内到达的偶拓扑荷OAM的信号光子和闲置光子，并将记录下的探测数据发送到符合计数器，最后符合计数器对探测数据进行符合测量。
本发明提出了一种基于OAM纠缠奇偶拓扑荷调制编解码的一对二QKD网络通信系统；适用高安全权限、多功能区域间的网络用户，工程应用性广泛；实现了大容量的量子编解码通信，可扩展性强，如果用多个M-Z型复用单元级联就可以完成多用户OAM量子密钥分发,且系统合理、使用操作方便、安全性高。
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 (9)
1.一种M-Z型轨道角动量纠缠密钥分发网络系统，包括Alice控制端、M-Z型复用单元和Bob用户端，其特征在于：
所述Alice控制端包括纠缠产生单元、调制单元和符合测量单元，所述纠缠产生单元包括泵浦光源LD、第一全反射镜和BBO晶体；
所述M-Z型复用单元包括第一复用模块和第二复用模块，其中第一复用模块包括第一分束器BS、第二分束器BS、第一光束旋转器BR和第二至第五共四个全反射镜；所述第二复用模块包括第三分束器BS、第四分束器BS、第二光束旋转器BR和第六至第九共四个全反射镜；
所述Bob用户端包括Bob1和Bob2用户；
所述泵浦光源LD产生泵浦激光脉冲，所述激光脉冲经第一全反射镜改变传播方向后输入到BBO晶体中，在所述BBO晶体参量下转换过程产生携带奇偶拓扑荷轨道角动量OAM纠缠态的信号光和闲置光并分成两光路：信号光路和闲置光路；
所述信号光路路线：从所述BBO晶体输出的携带奇偶拓扑荷轨道角动量OAM纠缠态的激光脉冲依次输入到所述第二全反射镜，然后改变光路后进入到所述第一分束器BS，接着信号光以50：50的比例分成两束,其中一束信号光经过第四全反射镜改变传播方向后直接传输到第二分束器BS，另一束信号光经过第三全反射镜改变光路后经过第一光束旋转器BR也同时进入到第二分束器BS；所述两束信号光在所述第二分束器BS处发生干涉，干涉后出射的两束光分别进入到所述调制单元，最后进入到所述符合测量单元进行测量；
所述闲置光路路线：从所述BBO晶体输出的携带奇偶拓扑荷轨道角动量OAM纠缠态的激光脉冲依次输入到所述第六全反射镜然后改变光路后进入到第三分束器BS，接着闲置光以50：50比例分成两束,其中一束闲置光经过第八全反射镜改变传播方向后直接传输到所述第四分束器BS，另一束闲置光经过第七全反射镜改变光路后经过第二光束旋转器BR也同时进入所述第四分束器BS；然后所述两束闲置光在所述第四分束器BS处发生干涉，干涉后出射的两束光分别进入到Bob用户端，最后与所述信号光一起进入到所述符合测量单元进行测量；
所述Bob1用户用于对轨道角动量OAM拓扑荷为奇数的闲置光携带的轨道角动量OAM进行调制，加载编码信息，并将编码信息发送给符合测量单元；
所述Bob2用户用于对轨道角动量OAM拓扑荷为偶数的闲置光携带的轨道角动量OAM进行调制，加载编码信息，并将编码信息发送给符合测量单元。
2.如权利要求1所述的一种M-Z型轨道角动量纠缠密钥分发网络系统，其特征在于，所述调制单元包括并列的第三和第四计算机控制的空间光调制器SLM以及并列的第三和第四两条单模光纤SMF，其中所述第三计算机控制的空间光调制器SLM与第三单模光纤SMF连接，所述第四计算机控制的空间光调制器SLM与第四单模光纤SMF连接；所述第三计算机控制的空间光调制器SLM直接与所述第二分束器BS连接，所述第三单模光纤SMF与所述符合测量单元连接；所述第四计算机控制的空间光调制器SLM通过第五全反射镜与所述第二分束器BS连接，所述第四单模光纤SMF与所述符合测量单元连接。
3.如权利要求1所述的一种M-Z型轨道角动量纠缠密钥分发网络系统，其特征在于，所述Bob1用户包括第二计算机控制的空间光调制器SLM和与其连接的第二单模光纤SMF；所述Bob2用户包括第一计算机控制的空间光调制器SLM和与其连接的第一单模光纤SMF；所述第二计算机控制的空间光调制器SLM通过第九全反射镜与所述第四分束器BS连接，第二单模光纤SMF与所述符合测量单元连接；所述第一计算机控制的空间光调制器SLM与所述第四分束器BS连接，第一单模光纤SMF与所述符合测量单元连接。
4.如权利要求2或3任一所述的一种M-Z型轨道角动量纠缠密钥分发网络系统，其特征在于，所述符合测量单元包括第一至第四共四个单光子探测器以及第一符合计数器和第二符合计数器；所述信号光路路线和闲置光路路线进入到所述符合测量单元中时具体光路路线如下：
信号光路路线：从所述BBO晶体输出的携带偶拓扑荷轨道角动量OAM纠缠态的激光脉冲依次输入到所述第一复用模块、第三计算机控制的空间光调制器SLM、第三单模光纤SMF、第一单光子探测器最后将其探测结果输入到所述第一符合计数器中；从所述BBO晶体输出的携带奇拓扑荷轨道角动量OAM纠缠态的激光脉冲依次输入到所述第一复用模块、第四计算机控制的空间光调制器SLM、第四单模光纤SMF、第三单光子探测器最后将其探测结果输入到所述第二符合计数器中；
闲置光路路线：从所述BBO晶体输出的携带偶拓扑荷轨道角动量OAM纠缠态的激光脉冲依次输入到所述第二复用模块、第一计算机控制的空间光调制器SLM、第一单模光纤SMF、第二单光子探测器最后将其探测结果输入到所述第一符合计数器中；从所述BBO晶体输出的携带奇拓扑荷轨道角动量OAM纠缠态的激光脉冲依次输入到所述第二复用模块、第二计算机控制的空间光调制器SLM、第二单模光纤SMF、第四单光子探测器最后将其探测结果输入到所述第二符合计数器中。
5.一种M-Z型轨道角动量纠缠密钥分发方法，其特征在于，包括权利要求1-4任意所述的M-Z型轨道角动量纠缠密钥分发网络系统，其包括以下步骤：
S1.奇偶拓扑荷轨道角动量OAM纠缠光脉冲的产生：泵浦光源LD产生激光脉冲，所述激光脉冲经第一全反射镜改变传播方向后垂直照射BBO晶体，通过BBO晶体参量转换产生携带奇偶拓扑荷轨道角动量OAM纠缠态的信号光和闲置光；
S2.轨道角动量OAM纠缠的M-Z型复用：在信号光光路和闲置光光路中分别用携带光束旋转器BR的M-Z干涉仪对轨道角动量OAM拓扑荷为奇数和偶数的纠缠态进行分离；
S3.奇偶拓扑荷轨道角动量OAM调制：Alice控制端中的调制单元根据轨道角动量OAM拓扑荷奇偶不同分别对信号光携带的轨道角动量OAM进行调制，加载编码信息，并将编码信息发送给所述符合测量单元；
S4.两Bob用户轨道角动量OAM调制：在闲置光路中，Bob1用户对轨道角动量OAM拓扑荷为奇数的闲置光携带的轨道角动量进行调制，加载编码信息，并将编码的信息发送给符合测量单元；Bob2用户对轨道角动量OAM拓扑荷为偶数的闲置光携带的轨道角动量进行调制，加载编码信息，并将编码的信息发送给符合测量单元；
S5.密钥分配与共享：Alice控制端根据需要选取不同的合法通信用户，通过单光子探测器记录下单位时间内到达的相同轨道角动量OAM拓扑荷的信号光子和闲置光子，并将记录下的探测数据发送到符合计数器，最后符合计数器将相同轨道角动量OAM拓扑荷的探测数据进行符合测量，根据符合测量结果恢复出编码的密钥并建立随机秘密的序列作为原始密码，经过密钥筛选和隐私放大获得安全密钥，从而完成两Bob用户密钥分配与共享。
6.如权利要求5所述的一种M-Z型轨道角动量纠缠密钥分发方法，其特征在于，所述S2步骤中还包括以下步骤：
S2-1.信号光复用：在信号光路中，携带奇偶拓扑荷轨道角动量OAM纠缠的信号光经第二全反射镜改变传输方向后进入第一复用模块，其中携带偶拓扑荷轨道角动量OAM纠缠的信号光从第二分束器BS出来直接进入所述调制单元中的第三计算机控制的空间光调制器SLM；携带奇拓扑荷轨道角动量OAM纠缠的信号光从第二分束器BS出来再经第五全反射镜改变传播方向后进入所述调制单元中的第四计算机控制的空间光调制器SLM；
S2-2.闲置光复用：在闲置光路中，携带奇偶拓扑荷轨道角动量OAM纠缠的闲置光经第六全反射镜改变传输方向后进入第二复用模块，其中携带偶拓扑荷轨道角动量OAM纠缠的闲置光从第四分束器BS出来直接进入所述Bob2用户的第一计算机控制的空间光调制器SLM；携带奇拓扑荷轨道角动量OAM纠缠的闲置光从第四分束器BS出来再经第九全反射镜改变传播方向后进入所述Bob1用户的第二计算机控制的空间光调制器SLM。
7.如权利要求5所述的一种M-Z型轨道角动量纠缠密钥分发方法，其特征在于，所述S3步骤中还包括以下步骤：
S3-1.偶调制：从第一复用模块出来的携带偶拓扑荷轨道角动量OAM纠缠的信号光进入所述调制单元中的第三计算机控制的空间光调制器SLM进行轨道角动量OAM调制加载信息，加载信息经第三单模光纤SMF耦合发送到所述符合测量单元中的第一单光子探测器；
S3-2.奇调制：从第一复用模块出来的携带奇拓扑荷轨道角动量OAM纠缠的信号光进入所述调制单元中的第四计算机控制的空间光调制器SLM进行轨道角动量OAM调制加载信息，加载信息经第四单模光纤SMF耦合发送到所述符合测量单元中的第三单光子探测器。
8.如权利要求5所述的一种M-Z型轨道角动量纠缠密钥分发方法，其特征在于，所述S4步骤中还包括以下步骤：
S4-1.Bob2调制：从第二复用模块出来的携带偶拓扑荷轨道角动量OAM纠缠的闲置光进入所述Bob2用户的第一计算机控制的空间光调制器SLM进行轨道角动量OAM调制加载信息，加载信息经第一单模光纤SMF耦合发送到所述符合测量单元中的第二单光子探测器；
S4-2.Bob1调制：从第二复用模块出来的携带奇拓扑荷轨道角动量OAM纠缠的闲置光进入所述Bob1用户的第二计算机控制的空间光调制器SLM进行轨道角动量OAM调制加载信息，加载信息经第二单模光纤SMF耦合发送到所述符合测量单元中的第四单光子探测器。
9.如权利要求5所述的一种M-Z型轨道角动量纠缠密钥分发方法，其特征在于，所述S5步骤中还包括以下步骤：
S5-1.与Bob1通信：当Alice与Bob1通信时，通过单光子探测器记录下单位时间内到达的奇拓扑荷轨道角动量OAM的信号光子和闲置光子，并将记录下的探测数据发送到符合计数器，最后符合计数器对探测数据进行符合测量；
S5-2.与Bob2通信：当Alice与Bob2通信时，通过单光子探测器记录下单位时间内到达的偶拓扑荷轨道角动量OAM的信号光子和闲置光子，并将记录下的探测数据发送到符合计数器，最后符合计数器对探测数据进行符合测量。
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-
2015
- 2015-10-16 CN CN201510675465.1A patent/CN105391547B/zh active Active
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
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