CN105406962A - 多用户轨道角动量波分复用qkd网络系统及其密钥分发方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了多用户轨道角动量波分复用QKD网络系统及其密钥分发方法，包括Alice控制端、O-W型复用单元和Bob用户端；Alice控制端包括混合纠缠产生单元、SAM调制单元和符合测量单元；O-W型复用单元包括复用和解复用模块；Bob用户端包括n个Bob用户；混合纠缠产生单元产生携带多波长混合纠缠的闲置光和信号光,其中闲置光经解复用模块发送给不同的Bob用户,其对OAM进行调制加载信息，加载信息经复用模块发送至符合测量单元；信号光经SAM调制单元对SAM进行调制加载信息并发送至符合测量单元；复用模块和SAM调制单元发送的加载信息在符合测量单元进行测量解码。本发明实现了大容量的量子编解码通信，操作方便、用户数扩展能力强、通信中各用户相对独立、安全性高。

Description

多用户轨道角动量波分复用QKD网络系统及其密钥分发方法

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波分复用QKD网络系统及其密钥分发方法。

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(QuantumKeyDistribution，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，其调制解调的自由度可以是波长、相位、振幅、强度以及热点关注的轨道角动量(OrbitalAngularMomentum，OAM)等。

研究发现，光子可以携带两种角动量：自旋角动量(SpinAngularMomentum，SAM)和OAM。SAM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SAM，利用光子的SAM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SAM不同的是，OAM是一个新的自由度并可以加载数据信息。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值为对应螺旋形等相位面,螺旋相位项为exp(ilφ),l为OAM量子数,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。

在量子密钥分发系统中，编码量子信息的载体可以有两种类型：单光子和纠缠光子对。由于纠缠光子对之间有较强的纠缠关联，基于光子对纠缠态的量子通信具有通信容量大、保密性强等优点。现有技术中提出了一种点对点的自旋-轨道角动量混合调制量子密钥分发方法及系统，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；并改进了基于“相互无偏基”量子密钥分发系统的编码方法。另有基于OAM的保密通信系统,其具有高效、稳定和低廉等优点，而且进一步提高了OAM的调制编码及解码能力。

但上述方案和目前的其它方案基于OAM混合纠缠的量子密钥分发系统多数是点对点的，改进和设计可扩展的多用户OAM高维编码量子密钥分发系统就显得十分重要。

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波分复用QKD网络系统及其密钥分发方法。

本发明的技术方案是这样实现的：多用户轨道角动量波分复用QKD网络系统，包括Alice控制端、轨道角动量波分(O-W型)复用单元和Bob用户端，其中：

所述Alice控制端包括混合纠缠产生单元、SAM调制单元和符合测量单元，所述混合纠缠产生单元包括多波长激光器MW-LD、波长筛选器WS、BBO晶体、第一单模光纤SMF和q-plate相位板；所述SAM调制单元包括半波片HWP、偏振分束器PBS和第三单模光纤SMF；所述符合测量单元包括第一单光子探测器、符合计数器和第二单光子探测器；

所述O-W型复用单元由复用模块和解复用模块构成；

所述Bob用户端包括n个Bob用户；

所述多波长激光器MW-LD产生不同波长的激光脉冲，不同波长激光脉冲依次输入到波长筛选器WS和BBO晶体中，在所述BBO晶体参量下转换过程产生携带不同波长SAM纠缠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n组不同波长激光脉冲依次输入到所述第一单模光纤SMF、半波片HWP、偏振分束器PBS、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符合计数器中；

所述闲置光路路线：从所述BBO晶体输出的n组不同波长激光脉冲依次输入到所述q-plate相位板、解复用模块；在解复用模块处输入到所述Bob用户端的n个Bob用户中，然后n个Bob用户中输出后在所述复用模块处进行汇合，然后再输入到第二单光子探测器中，最后将探测结果输入到所述符合计数器中与信号光路中的探测结果进行符合测量。优选地，每个Bob用户均包括直角棱镜、计算机控制的空间光调制器SLM和第二单模光纤SMF；所述解复用模块的信号输入到每个Bob用户后依次经过所述直角棱镜、计算机控制的空间光调制器SLM和第二单模光纤SMF然后输入到所述复用模块中汇合。

优选地，所述计算机控制的空间光调制器SLM与直角棱镜的斜边平行放置。

多用户轨道角动量波分复用QKD密钥分发方法，包括权利上述的多用户轨道角动量波分复用QKD网络系统，其包括以下步骤：

S1.多波长SAM-OAM纠缠光脉冲产生：多波长激光器MW-LD产生不同波长的脉冲，任一波长都在BBO晶体的工作波段范围内，根据合法用户的通信需要，采用所述波长筛选器WS筛选出需要波长的脉冲，筛选后的脉冲垂直照射BBO晶体，在BBO晶体参量下转换产生携带各种波长SAM纠缠态的信号光和闲置光；其中信号光路中的第一单模光纤SMF消除了信号光路中OAM串扰的影响；所述闲置光路中q-plate相位板将闲置光中的SAM转化为OAM，由于纠缠效应，获得了没有OAM串扰的多波长SAM-OAM纠缠光脉冲；

S2.多波长纠缠态的O-W型复用：所述解复用模块用于以波长寻址的方式将携带各个波长混合纠缠态的闲置光发送给相应的不同Bob用户；复用模块用于以波长寻址的方式将不同Bob用户发送来的加载信息传输到符合测量单元中的第二单光子探测器；

S3.多用户OAM的调制：不同波长的闲置光经过所述直角棱镜改变光路后进入到所述计算机控制的空间光调制器SLM，不同Bob用户用计算机控制的空间光调制器SLM对相应波长闲置光携带的OAM进行相位偏转调制加载信息，对Bob1用户来说，此时量子态为：

$|\mathrm{\χ}{>}_{{\mathrm{\λ}}_1}^l=\frac{1}{\sqrt{2}}\left(e^{i\mathrm{\χ}}\right|m=+1{{>}^l}_B+e^{-i\mathrm{\χ}}|m=-1{{>}^l}_B),$ 对Bob2用户来说，此时量子态为：

$|\mathrm{\χ}{>}_{{\mathrm{\λ}}_2}^l=\frac{1}{\sqrt{2}}\left(e^{i\mathrm{\χ}}\right|m=+1{{>}^l}_B+e^{-i\mathrm{\χ}}|m=-1{{>}^l}_B),$ 以此类推，对Bobn用户来说，此时量子态为：

$|\mathrm{\χ}{>}_{{\mathrm{\λ}}_n}^l=\frac{1}{\sqrt{2}}\left(e^{i\mathrm{\χ}}\right|m=+1{{>}^l}_B+e^{-i\mathrm{\χ}}|m=-1{{>}^l}_B),$ 再利用第二单模光纤SMF过滤并输出基模高斯模式的闲置光子，发送至所述O-W型复用单元中的复用模块。

S4.多波长SAM的调制：所述半波片HWP和偏振分束器PBS组成SAM调制器对不同波长的信号光携带的SAM进行调制并将调制的耦合信号经过第三单模光纤SMF发送至符合测量单元中的第一单光子探测器；

S5.多用户密钥分配与共享：Alice控制端和Bob用户端分别通过单光子探测器记录下单位时间内到达的相同波长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，对于不同波长的Bob用户来说，符合测量计数值满足关系式P(θ,χ)_λ∝cos²(χ-θ)，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，从而完成多用户密钥分配与共享。

进一步地，所述S1.多波长SAM-OAM纠缠光脉冲产生步骤中还包括以下步骤：

S1-1.多波长自旋纠缠对的产生：多波长激光器MW-LD产生不同波长的脉冲，根据合法用户的通信需要，波长筛选器WS筛选出需要波长的脉冲，筛选后的脉冲垂直照射BBO晶体，BBO晶体通过参量下转换产生SAM纠缠的信号光和闲置光，其量子态为其中λ代表脉冲的波长，A和B分别表示信号光子和闲置光子，|L>表示左旋圆偏振态并携带的SAM，|R>表示右旋圆偏振态并携带的SAM；

S1-2.消除OAM的干扰：利用所述单模光纤SMF只允许基模高斯光通过的特性，在所述信号光路中，Alice控制端采用第一单模光纤SMF筛选出OAM为零的基模高斯光，由于纠缠效应，从而排除了信号光和闲置光中可能存在的OAM纠缠所带来的串扰；

S1-3.多波长混合纠缠态的产生：在所述闲置光路中，q-plate相位板作用于闲置光子，将闲置光子中的SAM自由度转化为OAM自由度，由于纠缠效应，从而获得SAM-OAM混合纠缠态为： $|{\mathrm{\φ}}_{hybrid}{>}_{\mathrm{\λ}}=\frac{1}{\sqrt{2}}\left(\right|L{>}_A^{\mathrm{\π}}|m=-1{>}_B^l+|R{>}_A^{\mathrm{\π}}|m=+1{>}_B^l),$ 这里OAM量子数取1，其中，λ代表脉冲的波长，A和B分别表示信号光子和闲置光子，|L>表示左旋圆偏振态，|R>表示右旋圆偏振态，π代表SAM本征态，l代表OAM本征态。

进一步地，所述S2多波长纠缠态的O-W型复用步骤中还包括以下步骤：

S2-1.解复用：所述解复用模块以波长寻址的方式将携带各个波长混合纠缠态的闲置光发送给相应的不同Bob用户；

S2-2.复用：复用模块用于以波长寻址的方式将不同Bob用户发送来的加载信息传输到符合测量单元中的第二单光子探测器。

具体地，所述S4多波长SAM的调制步骤中还包括以下步骤：

S4-1.相位偏转的调制：半波片HWP和偏振分束器PBS组成SAM调制器，对各种不同波长的信号光携带的SAM进行相位偏转调制，设置半波片HWP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信息，此时，信号光子量子态变为： $|\mathrm{\θ}{>}_{\mathrm{\λ}}^{\mathrm{\π}}=\frac{1}{\sqrt{2}}\left(e^{i\mathrm{\θ}}\right|L{>}_A^{\mathrm{\π}}+e^{-i\mathrm{\θ}}\left|R{>}_A^{\mathrm{\π}}\right);$

S4-2.耦合信号的发送：加载信息的各种不同波长信号光子耦合进所述第三单模光纤SMF，并发送至符合测量单元中的第一单光子探测器。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1、本发明以SAM-OAM混合纠缠光子对作为编解码的信息载体，提高了多用户轨道角动量波分复用QKD网络系统的安全性；

2、本发明中所用的每一对SAM-OAM混合纠缠光子对都可以加载多比特的编码信息量，实现了大容量的量子编解码通信；

3、本发明中O-W型复用技术保证了各个用户之间的相对独立，具有很好的隔离度，单用户的密钥生成率不会随着用户数的增加而减小；

4、本发明系统设计合理结构简单，使用操作方便，具有良好的拓展性。

附图说明

图1为本发明所述的多用户轨道角动量波分复用QKD网络系统的结构示意图。

图2为本发明所述的多用户轨道角动量波分复用QKD网络系统的原理示意图。

图3为本发明所述的Alice控制端框架示意图。

图4为本发明所述的Bob用户端框架示意图。

图5为本发明所述的多用户轨道角动量波分复用QKD密钥分发方法的流程示意图。

图中，各标号对应的名称：1-混合纠缠产生单元，101-多波长激光器MW-LD，102-波长筛选器WS，103-BBO晶体，104-第一单模光纤SMF，105-q-plate相位板；2-SAM调制单元，201-半波片HWP，202-偏振分束器PBS，203-第三单模光纤SMF；3-符合测量单元，301-第一单光子探测器，302-符合计数器，303-第二单光子探测器；401-解复用模块，402-复用模块；(501、502……50n)-直角棱镜，(511、512……51n)-计算机控制的空间光调制器SLM，(521、522……52n)-第二单模光纤SMF。

具体实施方式

以下结合附图1-5对本发明的具体实施方式做进一步说明：

参照附图1所示，多用户轨道角动量波分复用QKD网络系统，该系统包括Alice控制端、O-W型复用单元和Bob用户端。其中Alice控制端包括混合纠缠产生单元、SAM调制单元和符合测量单元；O-W型复用单元包括复用模块和解复用模块；Bob用户端包括Bob1、Bob2….Bobn等N个不同用户(n＝1,2,3….)。

参照附图2-图4所示，所述Alice控制端包括混合纠缠产生单元1、SAM调制单元2和符合测量单元3；其中所述混合纠缠产生单元1包括多波长激光器MW-LD101、波长筛选器WS102、BBO晶体103、第一单模光纤SMF104和q-plate相位板105；所述SAM调制单元2包括半波片HWP201、偏振分束器PBS202和第三单模光纤SMF203；所述符合测量单元3包括第一单光子探测器301、符合计数器302和第二单光子探测器303；

所述O-W型复用单元包括解复用模块401和复用模块402；

Bob用户端包括Bob1、Bob2….Bobn等N个不同用户(n＝1,2,3….)；每个Bob用户都包括直角棱镜、第二单模光纤SMF和独立计算机控制的空间光调制器SLM，其中所述计算机控制的空间光调制器SLM与直角棱镜的斜边平行放置。

所述混合纠缠产生单元1用于产生携带多波长SAM-OAM混合纠缠态的闲置光和信号光；所述解复用模块401与混合纠缠产生单元1连接，用于以波长寻址的方式将各个波长闲置光发送给相应的不同Bob用户；所述Bob用户端与O-W型复用单元中的解复用模块401连接，每个不同Bob用户(即不同波长)都包括直角棱镜、第二单模光纤SMF和独立计算机控制的空间光调制器SLM，不同波长的闲置光经直角棱镜改变光路后进入计算机控制的空间光调制器SLM，不同Bob用户用计算机控制的空间光调制器SLM对相应波长闲置光携带的OAM进行相位偏转调制加载信息，再利用第二单模光纤SMF过滤并输出基模高斯模式的闲置光，并将其发送至O-W型复用单元中的复用模块402；所述复用模块402与Bob用户端相连接，用于以波长寻址的方式将不同Bob用户发送来的加载信息传输到符合测量单元3中的第二单光子探测器303；所述SAM调制单元2与混合纠缠产生单元1连接，用于对各波长信号光携带的SAM进行相位偏转调制加载信息，并将其发送至符合测量单元3中的第一单光子探测器301；所述符合测量单元3在复用模块402和SAM调制单元2之间，并与它们连接，用于将复用模块402和SAM调制单元2发送到的相同波长加载信息进行记录，并将符合事件进行测量解码。

所述多波长激光器MW-LD101用于产生不同波长的泵浦激光脉冲；所述波长筛选器WS102与所述多波长激光器MW-LD101相连接，用于根据合法用户的通信需要筛选出不同的波长(不同的波长即不同的Bob用户)；所述BBO晶体103与所述波长筛选器WS102连接，用于产生携带不同波长SAM纠缠光子对的信号光和闲置光；所述第一单模光纤SMF104与所述BBO晶体103连接，用于隔离OAM纠缠所带来的串扰；所述q-plate相位板105与所述BBO晶体103连接，用于实现不同波长闲置光携带的SAM向OAM自由度转化。

所述解复用模块401与所述混合纠缠产生单元1中的q-plate相位板105相连接，用于以波长寻址的方式将各个波长闲置光发送给相应的不同Bob用户；所述复用模块402在所述Bob用户端与所述符合测量单元3的第二单光子探测器303之间，并与他们相连接，用于以波长寻址的方式将不同Bob用户发送来的加载信息传输到符合测量单元3中的第二单光子探测器303。

其中所述Bob用户端包括n个直角棱镜501-50n、n个计算机控制的空间光调制器SLM511-51n和n条第二单模光纤SMF521-52n。

对于Bob1用户：所述直角棱镜501与所述O-W型复用单元中的解复用模块401连接，用于改变光束的传播方向；所述计算机控制的空间光调制器SLM511与所述直角棱镜连接501连接，用于对波长λ₁的闲置光携带的OAM进行相位偏转调制加载信息；所述第二单模光纤SMF521与计算机控制的空间光调制器SLM511相连接，用于将Bob1用户的编码信息发送到O-W型复用单元的复用模块402；

对于Bob2用户：所述直角棱镜502与所述O-W型复用单元中的解复用模块401连接，用于改变光束的传播方向；所述计算机控制的空间光调制器SLM512与所述直角棱镜502连接，用于对波长λ₂的闲置光携带的OAM进行相位偏转调制加载信息；所述第二单模光纤SMF522与计算机控制的空间光调制器SLM512相连接，用于将Bob2用户的编码信息发送到O-W型复用单元的复用模块402；

依次类推，对于Bobn用户：所述直角棱镜50n与所述O-W型复用单元中的解复用模块401连接，用于改变光束的传播方向；计算机控制的空间光调制器SLM51n与所述直角棱镜50n连接，用于对波长λ_n的闲置光携带的OAM进行相位偏转调制加载信息；所述第二单模光纤SMF52n与计算机控制的空间光调制器SLM51n相连接，用于将Bobn用户的编码信息发送到O-W型复用单元的复用模块402。

所述半波片HWP201与所述混合纠缠产生单元1中的第一单模光纤SMF104连接，用于对不同波长信号光携带的SAM进行相位偏转调制；所述偏振分束器PBS202与半波片HWP201连接，用于对偏振进行筛选，将半波片HWP201和偏振分束器PBS202配合使用，此时旋转半波片HWP201，我们可以实现想要的可变旋转角；所述第三单模光纤SMF203与偏振分束器PBS202连接，用于对不同波长的编码信号光耦合发送到符合测量单元3中的第一单光子探测器301。

所述第一单光子探测器301与所述SAM调制单元2中的第三单模光纤SMF203连接，用来记录单位时间内到达的不同波长信号光子；所述第二单光子探测器303与所述O-W型复用单元中的复用模块402相连接，用来记录单位时间内到达的不同波长闲置光子；所述符合计数器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，用于对相同波长信号光子和闲置光子的符合事件进行测量解码。

本发明中多用户轨道角动量波分复用QKD网络系统的具体工作原理如下：在该多用户轨道角动量波分复用QKD网络系统中，多波长激光器MW-LD101产生不同波长的泵浦激光脉冲，根据合法用户的通信需要，波长筛选器WS102筛选出任一用户所需的脉冲，在BBO晶体的工作波段范围，这脉冲垂直照射BBO晶体103，通过BBO晶体103参量下转换过程产生携带不同波长SAM纠缠的信号光和闲置光，此时纠缠光子对量子态为：其中A和B分别表示信号光子和闲置光子，λ代表脉冲的波长，|L>表示左旋圆偏振态并携带的SAM，|R>表示右旋圆偏振态并携带的SAM，由于纠缠效应，不同波长的信号光子经过第一单模光纤SMF104后，将不同波长的信号光子和闲置光子中存在的OAM干扰滤除了，再有不同波长的闲置光子经过q-plate相位板105,将闲置光子中SAM向OAM转化，此时，q-plate相位板105的功能可以用一个量子算符表示为在q-plate相位105的作用下，不同波长的信号光子和闲置光子的量子态将演化为SAM-OAM混合纠缠态： $|{\mathrm{\φ}}_{hybrid}{>}_{\mathrm{\λ}}=\frac{1}{\sqrt{2}}\left(\right|L{>}_A^{\mathrm{\π}}|m=-1{>}_B^l+|R{>}_A^{\mathrm{\π}}|m=+1{>}_B^l)$ 其中λ代表脉冲的波长，π表示SAM本征态，l表示OAM本征态，为了方便，我们这里取OAM的量子数为1。

从q-plate相位板105出来携带不同波长SAM-OAM混合纠缠态的闲置光子进入O-W型复用单元中的解复用模块401，解复用模块401以波长寻址的方式将各个波长闲置光发送给相应的不同Bob用户，对于Bob1用户：波长λ₁的闲置光经直角棱镜501改变光路后进入计算机控制的空间光调制器SLM511，计算机控制的空间光调制器SLM511对波长λ₁的闲置光携带的OAM进行相位偏转调制加载信息，此时量子态为：其中，χ为OAM的相位偏转取向角，Bob1用户的加载信息经第二单模光纤SMF521耦合发送到O-W型复用单元的复用模块402；对于Bob2用户：波长λ₂的闲置光经直角棱镜502改变光路后进入计算机控制的空间光调制器SLM512，计算机控制的空间光调制器SLM512对波长λ₂的闲置光携带的OAM进行相位偏转调制加载信息，此时量子态为：Bob2用户的加载信息经第二单模光纤SMF522耦合发送到O-W型复用单元的复用模块402；依次类推，对于Bobn用户：波长λ_n的闲置光经直角棱镜50n改变光路后进入计算机控制的空间光调制器SLM51n，计算机控制的空间光调制器SLM51n对波长λ_n的闲置光携带的OAM进行相位偏转调制加载信息，此时量子态为：Bobn用户的加载信息经第二单模光纤SMF52n耦合发送到O-W型复用单元的复用模块402。各个不同Bob用户的加载信息经O-W型复用单元中的复用模块402进入符合测量单元3中的第二单光子探测器303。

从第一单模光纤SMF104出来的不同波长信号光进入SAM调制单元2中的半波片HWP201，半波片HWP201和偏振分束器PBS202组成SAM调制器对不同波长信号光携带的SAM进行调制，从而引入SAM依赖的相位偏转变化，不同波长的偏转SAM量子态可以表示为其中半波片HWP401取向角为(θ为变量)，此时调制的耦合信号经过第三单模光纤SMF203发送至符合测量单元3中的第一单光子探测器301。

当Alice控制端与Bob1通信时，波长为λ₁携带加载信息的信号光子从第三单模光纤SMF203出来后进入符合测量单元3中的第一单光子探测器301进行记录，同时波长为λ₁携带加载信息的闲置光子从O-W型复用单元中的复用模块402出来后进入第二单光子探测器303进行记录，此时从第一单光子探测器301和第二单光子探测器303出来的记录数据同时传输进入符合计数器302，此时两路符合概率函数如下所示：其中，角θ是偏振态的随机可变旋转角和角χ是OAM扇形态的随机可变角。符合计数器302将两路探测器的记录结果进行符合测量并解码，从而完成Alice控制端与Bob1的安全通信。依次类推，对于Alice控制端与其他Bob用户进行通信时，原理相同。

基于以上结构和原理可知所述多波长激光器MW-LD产生的激光脉冲在该系统的信号传输路线如下：

所述多波长激光器MW-LD产生不同波长的激光脉冲，不同波长激光脉冲依次输入到波长筛选器WS和BBO晶体中，在所述BBO晶体参量下转换过程产生携带不同波长SAM纠缠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n组不同波长激光脉冲依次输入到所述第一单模光纤SMF、半波片HWP、偏振分束器PBS、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符合计数器中；

所述闲置光路路线：从所述BBO晶体输出的n组不同波长激光脉冲依次输入到所述q-plate相位板、解复用模块；在解复用模块处输入到所述Bob用户端的n个Bob用户中，然后n个Bob用户中输出后在所述复用模块处进行汇合，然后再输入到第二单光子探测器中，最后将探测结果输入到所述符合计数器中与信号光路中的测结果进行符合测量。

如图5所示，基于上述多用户轨道角动量波分复用QKD网络系统的密钥分发方法其包括以下步骤：

S1.多波长SAM-OAM纠缠光脉冲产生：多波长激光器MW-LD产生不同波长的脉冲，任一波长都在BBO晶体的工作波段范围内，根据合法用户的通信需要，采用所述波长筛选器WS筛选出需要波长的脉冲，筛选后的脉冲垂直照射BBO晶体，在BBO晶体参量下转换产生携带各种波长SAM纠缠态的信号光和闲置光；其中信号光路中的第一单模光纤SMF消除了信号光路中OAM串扰的影响；所述闲置光路中q-plate相位板将闲置光中的SAM转化为OAM，由于纠缠效应，获得了没有OAM串扰的多波长SAM-OAM纠缠光脉冲；

S2.多波长纠缠态的O-W型复用：所述解复用模块用于以波长寻址的方式将携带各个波长混合纠缠态的闲置光发送给相应的不同Bob用户；复用模块用于以波长寻址的方式将不同Bob用户发送来的加载信息传输到符合测量单元中的第二单光子探测器；

S3.多用户OAM的调制：不同波长的闲置光经过所述直角棱镜改变光路后进入到所述计算机控制的空间光调制器SLM，不同Bob用户用计算机控制的空间光调制器SLM对相应波长闲置光携带的OAM进行相位偏转调制加载信息，对Bob1用户来说，此时量子态为：

$|\mathrm{\χ}{>}_{{\mathrm{\λ}}_1}^l=\frac{1}{\sqrt{2}}\left(e^{i\mathrm{\χ}}\right|m=+1{{>}^l}_B+e^{-i\mathrm{\χ}}|m=-1{{>}^l}_B),$ 对Bob2用户来说，此时量子态为：

$|\mathrm{\χ}{>}_{{\mathrm{\λ}}_2}^l=\frac{1}{\sqrt{2}}\left(e^{i\mathrm{\χ}}\right|m=+1{{>}^l}_B+e^{-i\mathrm{\χ}}|m=-1{{>}^l}_B),$ 以此类推，对Bobn用户来说，此时量子态为：

$|\mathrm{\χ}{>}_{{\mathrm{\λ}}_n}^l=\frac{1}{\sqrt{2}}\left(e^{i\mathrm{\χ}}\right|m=+1{{>}^l}_B+e^{-i\mathrm{\χ}}|m=-1{{>}^l}_B),$ 再利用第二单模光纤SMF过滤并输出基模高斯模式的闲置光子，发送至所述O-W型复用单元中的复用模块。

S4.多波长SAM的调制：所述半波片HWP和偏振分束器PBS组成SAM调制器对不同波长的信号光携带的SAM进行调制并将调制的耦合信号经过第三单模光纤SMF发送至符合测量单元中的第一单光子探测器；

S5.多用户密钥分配与共享：Alice控制端和Bob用户端分别通过单光子探测器记录下单位时间内到达的相同波长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，对于不同波长的Bob用户来说，符合测量计数值满足关系式P(θ,χ)_λ∝cos²(χ-θ)，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，从而完成多用户密钥分配与共享。

进一步地，所述S1.多波长SAM-OAM纠缠光脉冲产生步骤中还包括以下步骤：

S1-1.多波长自旋纠缠对的产生：多波长激光器MW-LD产生不同波长的脉冲，根据合法用户的通信需要，波长筛选器WS筛选出需要波长的脉冲，筛选后的脉冲垂直照射BBO晶体，BBO晶体通过参量下转换产生SAM纠缠的信号光和闲置光，其量子态为其中λ代表脉冲的波长，A和B分别表示信号光子和闲置光子，|L>表示左旋圆偏振态并携带的SAM，|R>表示右旋圆偏振态并携带的SAM；

S1-2.消除OAM的干扰：利用所述单模光纤SMF只允许基模高斯光通过的特性，在所述信号光路中，Alice控制端采用第一单模光纤SMF筛选出OAM为零的基模高斯光，由于纠缠效应，从而排除了信号光和闲置光中可能存在的OAM纠缠所带来的串扰；

S1-3.多波长混合纠缠态的产生：在所述闲置光路中，q-plate相位板作用于闲置光子，将闲置光子中的SAM自由度转化为OAM自由度，由于纠缠效应，从而获得SAM-OAM混合纠缠态为： $|{\mathrm{\φ}}_{hybrid}{>}_{\mathrm{\λ}}=\frac{1}{\sqrt{2}}\left(\right|L{>}_A^{\mathrm{\π}}|m=-1{>}_B^l+|R{>}_A^{\mathrm{\π}}|m=+1{>}_B^l),$ 这里OAM量子数取1，其中，λ代表脉冲的波长，A和B分别表示信号光子和闲置光子，|L>表示左旋圆偏振态，|R>表示右旋圆偏振态，π代表SAM本征态，l代表OAM本征态。

进一步地，所述S2多波长纠缠态的O-W型复用步骤中还包括以下步骤：

S2-1.解复用：所述解复用模块以波长寻址的方式将携带各个波长混合纠缠态的闲置光发送给相应的不同Bob用户；

S2-2.复用：复用模块用于以波长寻址的方式将不同Bob用户发送来的加载信息传输到符合测量单元中的第二单光子探测器。

具体地，所述S4多波长SAM的调制步骤中还包括以下步骤：

S4-1.相位偏转的调制：半波片HWP和偏振分束器PBS组成SAM调制器，对各种不同波长的信号光携带的SAM进行相位偏转调制，设置半波片HWP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信息，此时，信号光子量子态变为： $|\mathrm{\θ}{>}_{\mathrm{\λ}}^{\mathrm{\π}}=\frac{1}{\sqrt{2}}\left(e^{i\mathrm{\θ}}\right|L{>}_A^{\mathrm{\π}}+e^{-i\mathrm{\θ}}\left|R{>}_A^{\mathrm{\π}}\right);$

S4-2.耦合信号的发送：加载信息的各种不同波长信号光子耦合进所述第三单模光纤SMF，并发送至符合测量单元中的第一单光子探测器。

本发明提出了一种基于SAM-OAM混合纠缠的多用户轨道角动量波分复用QKD网络系统及其密钥分发方法，实现了大容量的量子编解码通信，且系统合理、使用操作方便、用户数扩展能力强、通信中各用户相对独立、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 (7)

1.多用户轨道角动量波分复用QKD网络系统，包括Alice控制端、轨道角动量波分(O-W型)复用单元和Bob用户端，其特征在于：

所述Alice控制端包括混合纠缠产生单元、SAM调制单元和符合测量单元，所述混合纠缠产生单元包括多波长激光器MW-LD、波长筛选器WS、BBO晶体、第一单模光纤SMF和q-plate相位板；所述SAM调制单元包括半波片HWP、偏振分束器PBS和第三单模光纤SMF；所述符合测量单元包括第一单光子探测器、符合计数器和第二单光子探测器；

所述O-W型复用单元由复用模块和解复用模块构成；

所述Bob用户端包括n个Bob用户；

所述多波长激光器MW-LD产生不同波长的激光脉冲，不同波长激光脉冲依次输入到波长筛选器WS和BBO晶体中，在所述BBO晶体参量下转换过程产生携带不同波长SAM纠缠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n组不同波长激光脉冲依次输入到所述第一单模光纤SMF、半波片HWP、偏振分束器PBS、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符合计数器中；

所述闲置光路路线：从所述BBO晶体输出的n组不同波长激光脉冲依次输入到所述q-plate相位板、解复用模块；在解复用模块处输入到所述Bob用户端的n个Bob用户中，然后n个Bob用户中输出后在所述复用模块处进行汇合，然后再输入到第二单光子探测器中，最后将探测结果输入到所述符合计数器中与信号光路中的探测结果进行符合测量。

2.如权利要求1所述的多用户轨道角动量波分复用QKD网络系统，其特征在于，每个Bob用户均包括直角棱镜、计算机控制的空间光调制器SLM和第二单模光纤SMF；所述解复用模块的信号输入到每个Bob用户后依次经过所述直角棱镜、计算机控制的空间光调制器SLM和第二单模光纤SMF然后输入到所述复用模块中汇合。

3.如权利要求2所述的多用户轨道角动量波分复用QKD网络系统，其特征在于，所述计算机控制的空间光调制器SLM与直角棱镜的斜边平行放置。

4.多用户轨道角动量波分复用QKD密钥分发方法，其特征在于，包括权利要求1-3任意所述的多用户轨道角动量波分复用QKD网络系统，其包括以下步骤：

S1.多波长SAM-OAM纠缠光脉冲产生：多波长激光器MW-LD产生不同波长的脉冲，任一波长都在BBO晶体的工作波段范围内，根据合法用户的通信需要，采用所述波长筛选器WS筛选出需要波长的脉冲，筛选后的脉冲垂直照射BBO晶体，在BBO晶体参量下转换产生携带各种波长SAM纠缠态的信号光和闲置光；其中信号光路中的第一单模光纤SMF消除了信号光路中OAM串扰的影响；所述闲置光路中q-plate相位板将闲置光中的SAM转化为OAM，由于纠缠效应，获得了没有OAM串扰的多波长SAM-OAM纠缠光脉冲；

S2.多波长纠缠态的O-W型复用：所述解复用模块用于以波长寻址的方式将携带各个波长混合纠缠态的闲置光发送给相应的不同Bob用户；复用模块用于以波长寻址的方式将不同Bob用户发送来的加载信息传输到符合测量单元中的第二单光子探测器；

S3.多用户OAM的调制：不同波长的闲置光经过所述直角棱镜改变光路后进入到所述计算机控制的空间光调制器SLM，不同Bob用户用计算机控制的空间光调制器SLM对相应波长闲置光携带的OAM进行相位偏转调制加载信息，对Bob1用户来说，此时量子态为：

$|\mathrm{\χ}{>}_{{\mathrm{\λ}}_1}^l=\frac{1}{\sqrt{2}}\left(e^{i\mathrm{\χ}}\right|m=+1{{>}^l}_B+e^{-i\mathrm{\χ}}|m=-1{{>}^l}_B),$ 对Bob2用户来说，此时量子态为：

以此类推，对Bobn用户来说，此时量子态为：

再利用第二单模光纤SMF过滤并输出基模高斯模式的闲置光子，发送至所述O-W型复用单元中的复用模块。

S4.多波长SAM的调制：所述半波片HWP和偏振分束器PBS组成SAM调制器对不同波长的信号光携带的SAM进行调制并将调制的耦合信号经过第三单模光纤SMF发送至符合测量单元中的第一单光子探测器；

S5.多用户密钥分配与共享：Alice控制端和Bob用户端分别通过单光子探测器记录下单位时间内到达的相同波长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，对于不同波长的Bob用户来说，符合测量计数值满足关系式P(θ,χ)_λ∝cos²(χ-θ)，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，从而完成多用户密钥分配与共享。

5.如权利要求4所述的多用户轨道角动量波分复用QKD密钥分发方法，其特征在于，所述S1.多波长SAM-OAM纠缠光脉冲产生步骤中还包括以下步骤：

S1-1.多波长SAM纠缠对的产生：多波长激光器MW-LD产生不同波长的脉冲，根据合法用户的通信需要，波长筛选器WS筛选出需要波长的脉冲，筛选后的脉冲垂直照射BBO晶体，BBO晶体通过参量下转换产生SAM纠缠的信号光和闲置光，其量子态为其中λ代表脉冲的波长，A和B分别表示信号光子和闲置光子，|L>表示左旋圆偏振态并携带的SAM，|R>表示右旋圆偏振态并携带的SAM；

S1-2.消除OAM的干扰：利用所述单模光纤SMF只允许基模高斯光通过的特性，在所述信号光路中，Alice控制端采用第一单模光纤SMF筛选出OAM为零的基模高斯光，由于纠缠效应，从而排除了信号光和闲置光中可能存在的OAM纠缠所带来的串扰；

S1-3.多波长混合纠缠态的产生：在所述闲置光路中，q-plate相位板作用于闲置光子，将闲置光子中的SAM自由度转化为OAM自由度，由于纠缠效应，从而获得SAM-OAM混合纠缠态为： $|{\mathrm{\φ}}_{hybrid}{>}_{\mathrm{\λ}}=\frac{1}{\sqrt{2}}\left(\right|L{>}_A^{\mathrm{\π}}|m=-1{>}_B^l+|R{>}_A^{\mathrm{\π}}|m=+1{>}_B^l),$ 这里OAM量子数取1，其中，λ代表脉冲的波长，A和B分别表示信号光子和闲置光子，|L>表示左旋圆偏振态，|R>表示右旋圆偏振态，π代表SAM本征态，l代表OAM本征态。

6.如权利要求4所述的多用户轨道角动量波分复用QKD密钥分发方法，其特征在于，所述S2多波长纠缠态的O-W型复用步骤中还包括以下步骤：

S2-1.解复用：所述解复用模块以波长寻址的方式将携带各个波长混合纠缠态的闲置光发送给相应的不同Bob用户；

S2-2.复用：复用模块用于以波长寻址的方式将不同Bob用户发送来的加载信息传输到符合测量单元中的第二单光子探测器。

7.如权利要求4所述的多用户轨道角动量波分复用QKD密钥分发方法，其特征在于，所述S4多波长SAM的调制步骤中还包括以下步骤：

S4-1.相位偏转的调制：半波片HWP和偏振分束器PBS组成SAM调制器，对各种不同波长的信号光携带的SAM进行相位偏转调制，设置半波片HWP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信息，此时，信号光子量子态变为： $|\mathrm{\θ}{>}_{\mathrm{\λ}}^{\mathrm{\π}}=\frac{1}{\sqrt{2}}\left(e^{i\mathrm{\θ}}\right|L{>}_A^{\mathrm{\π}}+e^{-i\mathrm{\θ}}\left|R{>}_A^{\mathrm{\π}}\right);$

S4-2.耦合信号的发送：加载信息的各种不同波长信号光子耦合进所述第三单模光纤SMF，并发送至符合测量单元中的第一单光子探测器。