CN107634831B - 基于轨道角动量复用的量子密钥分发网络系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了包括Alice控制端，轨道角动量模分复用单元和Bob用户端，其中：所述Alice控制端包括信号调制单元和轨道角动量复用单元，所述轨道角动量模分复用单元包括伽利略望远镜组件和轨道角动量分离装置；所述Bob用户端包括N个Bob用户，每个Bob用户包括偏振控制器与探测装置；所述信号调制单元产生的光信号依次进入到轨道角动量复用单元、伽利略望远镜组件和轨道角动量分离装置，然后传送至对应所述Bob用户端的偏振控制器中，最后进入到所述探测装置进行探测。本发明实现了量子网络通信的一对多通信，且每个用户间相对独立，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。

Description

基于轨道角动量复用的量子密钥分发网络系统及方法

技术领域

本发明涉及自由空间通信与多用户量子通信网络领域，具体涉及一种基于轨道角动量复用的量子密钥分发网络系统及方法

背景技术

量子密钥分发在量子通信技术中发展最为迅速、技术最为成熟，其以通信的安全性成为实用化量子通信的先驱者。随着研究的深入，量子密钥分发技术的难点不断突破，量子密钥分发已经具备了大规模的应用的前景。然而，要实现全球的量子密钥分发网络，还需要突破距离的限制。

目前，由于光纤损耗和探测器的不完美性等原因的限制，以光纤为信道的量子密钥分发的距离已基本达到极限，而光在大气中的损耗比在光纤中小，所以为实现远距离的单光子密码通信，发展对自由空间量子密钥分发网络的研究是实现全球量子通信的必经之路。

自由空间通信中大气对于不同波长光的损耗不同，且衰减系数也会随着气象条件的变化而改变，所以需要选取合适的光源。其次，光在均匀的大气中近似沿直线传播，无法做到在光纤中传播时那样沿任意路径传输，另外，还需要考虑空间中障碍物的分布，以及大气中空气密度及其梯度等条件的变化对光传播路径的影响，所以需要设计合适的光路以及瞄准装置。此外，空间信道意味着信道无法与外部环境隔离，环境背景光也会进入信道而被探测器所接收，从而对探测过程造成干扰，所以要选择合适的接受装置去除外部杂散光的影响。

大气的双折射效应很小，对在大气中传输的光子偏振态很小，因此光子的偏振态适合于自由空间的通信。除了光子的偏振态外，光子的另一个自由度，即轨道角动量绕传播方向旋转时，轨道角动量态保持不变，发送方和接收方不必实时调整参考系。所以，轨道角动量成为了自由空间量子信息物理载体的另一个选择。

目前对于自由空间量子密钥分发方案的研究基本上是基于点对点的用户通信，而要实现一对多或是多对多的通信方案就必须解决量子信息传输的路由寻址的问题。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。无论是在经典通信系统还是量子通信系统，轨道角动量信道已被证实是绝对安全的。轨道角动量光束作为轨道角动量复用的信息载体，为增加自由空间量子通信系统的容量提供了潜在方法，如何将涡旋光束轨道角动量高效和非破坏分离是其应用于复用通信网络的前提，目前，轨道角动量(OAM)光子态测量方案主要有以下几种：

1.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。

2.利用螺旋相位板(Q-plate)或空间调制器(SLM)，将特定阶数的OAM光子态转化为高斯光，并在后续光路中只允许高斯光通过，从实现某一特定阶数的OAM光子态的分离测量。

3.利用保角变换，将OAM光子态转换为平面光，然后利用透镜将不同阶OAM光子态对应的平面光聚焦到不同的空间位置，从而实现OAM光子态的分离测量。

上述方案要么分离效率很低，要么破坏了原来的量子态，也无法实现级联，且分离量子级别单光子轨道角动量还有很大的困难，这些缺点限制了OAM光子态在轨道角动量复用量子通信中的应用。

因此，必须对现有的量子通信方式进行进一步地改进。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于轨道角动量复用的量子密钥分发网络系统及方法。该系统用光子偏振态来编码信息，光子轨道角动量作为复用寻址信道，实现自由空间的量子密钥分发。

本发明的技术方案是这样实现的：包括Alice控制端，轨道角动量模分复用单元和Bob用户端，其中：

所述Alice控制端包括信号调制单元和轨道角动量复用单元，所述轨道角动量复用单元包括空间光调制器和倒置伽利略望远镜组件；

所述轨道角动量模分复用单元包括伽利略望远镜组件和轨道角动量分离装置；

所述Bob用户端包括N个Bob用户，每个Bob用户包括偏振控制器与探测装置；

所述信号调制单元产生的光信号依次进入到所述空间光调制器、倒置伽利略望远镜组件、伽利略望远镜组件和轨道角动量分离装置，然后所述轨道角动量分离装置根据光子携带的不同轨道角动量来决定光子从不同的端口输出；将所述轨道角动量分离装置输出的信号光子传送至对应所述Bob用户端的偏振控制器中，最后进入到所述探测装置进行探测。

优选地，所述信号调制单元包括第一至第四4个弱相干光源，45度偏振片，135度偏振片，左旋圆偏振片和右旋圆偏振片，第一至第三分束器；所述第一至第四弱相干光源发射单光子态分别进入到所述45度偏振片，135度偏振片，左旋圆偏振片和右旋圆偏振片，然后从所述45度偏振片和135度偏振片传输出来的信号光子在所述第一分束器处耦合，从所述左旋圆偏振片和右旋圆偏振片传输出来的信号光子在所述第二分束器处耦合，所述第一分束器与第二分束器传输出来的信号光子统一在所述第三分束器处耦合，最后传输到所述轨道角动量复用单元中，所述第一至第三分束器为50：50分束器。

其中，所述第一至第四4个弱相干光源为衰减到单光子水平的特定波长的激光光源，输出激光波长为1550nm，功率为1mw。初始时刻，所述45度偏振片，135度偏振片，左旋圆偏振片和右旋圆偏振片4个偏振片分别调整为45度偏振态|45°>，135度偏振态|135°>，左旋圆偏振|L>和右旋圆偏振|R>。初始时刻，根据随机数随机选择一个弱相干光源发射光子，光子入射到与其对应的偏振片完成对光子的偏振调制，经过所述偏振片调制后的单光子信号再通过所述第三分束器耦合至一路传输。所述四个弱相干光源和所述四个偏振片结合完成对信号光子的偏振编码过程。

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，产生的轨道角动量对应接收端的用户数，可随用户数的扩展而增加；所述倒置伽利略望远镜组件由两个共焦的凸透镜组成，激光光束为高斯光束，具有一定的远场发散角，所述倒置伽利略望远镜组件压缩激光光束的远场发散角，经准直后的光束再发射到自由空间当中；

所述伽利略望远镜组件主要由双曲面凸透镜组成，位于信号光子接收端，主要起光学天线和空间滤波器的作用，滤除空间中的杂散光。

所述轨道角动量分离装置包括若干级联的M-Z干涉仪，每个M-Z干涉仪包括入射端口，第四分束器，第一反射镜，第一和第二达夫棱镜模块，第五分束器，出射反射端口，出射透射端口和第二反射镜；

信号光子进入到空间光调制器后，依次穿过两个共焦的凸透镜和双曲面凸透镜，然后由入射端口进入到所述M-Z干涉仪中，然后进入到第四分束器形成第一光路和第二光路，其中第一光路路径为：一部分信号光子直接通过第一达夫棱镜模块进入到第二反射镜；第二光路路径为：另一部分信号光子通过第一反射镜后再进入到第二达夫棱镜模块，然后与第二反射镜反射过来的信号光子在所述第五分束器处耦合，最后分别从出射反射端口和出射透射端口射出。具体地，轨道角动量分离装置根据光子携带的不同轨道角动量来决定光子从不同的端口输出，所述第四分束器和第五分束器为50：50分束器。

优选地，所述第一和第二达夫棱镜模块分别构成一个光束旋转器，且使信号光子的偏振态保持不变；所述第一和第二达夫棱镜模块结构相同均包括依次连接的达夫棱镜，第一四分之一波片和第一半波片，且第一和第二达夫棱镜模块并联连接，后文中将并联连接的第一和第二达夫棱镜模块称为改进型达夫棱镜模块。

优选地，若干M-Z干涉仪级联从前至后依次连接，且任意一个前级的M-Z干涉仪的出射反射端口和出射透射端口分别通过M-Z干涉仪的入射端口与后级的M-Z干涉仪连接。

当M-Z干涉仪两条光路的中的两个达夫棱镜的相对角度为α/2时，所述达夫棱镜的作用等效于在其中一条光路加入旋转角度为α的光束旋转器。所述达夫棱镜使轨道角动量为l的光子在干涉仪两条光路产生φ＝lα的相位差，而对光子自旋角动量(偏振)起1/4波片的作用，光子经过达夫棱镜会改变其偏振态，需加入第一1/4波片补偿偏振的变化，再通过第一半波片使光子的偏振方向和原来保持一致。所述达夫棱镜对光子轨道角动量起到旋转相位的作用，而对光子偏振态起到保偏特性。

具体地，M-Z干涉仪对输入光子的作用描述如下：

设入射到M-Z干涉仪输入端口进入第四分束器(BS1)的光子态为:

|in>_BS1＝|0>|1>

|0>表示真空态，|1>表示单光子态，下同。经第四分束器(BS1)的作用后，输出的光子态为：

上述式子表明光子从第四分束器(BS1)透射端和反射端输出的概率都是50％，但从反射端输出时附加了90度的相位跃变。光子再经过达夫棱镜模块的作用后，两条光路产生了φ＝lα的相位差，则M-Z干涉仪输出端第五分束器(BS2)的输入光子态为：

经过第五分束器(BS2)作用后的光子态变为：

|out>_BS2＝1/2(1-e^iφ)|0>|1>+i/2(1+e^iφ)|1>|0>

上式表明，光子在第五分束器(BS2)中发生干涉，光子的相位发生了改变，其中φ＝lα，设达夫棱镜模块的相对角度为π：

轨道角动量阶数l为奇数时，第五分束器(BS2)光子输出态|out>_BS2变为：|0>|1>，光子从分束器透射。

轨道角动量阶数l为偶数时，第五分束器(BS2)光子输出态|out>_BS2变为：i|1>|0>，光子从分束器反射。

具体地，达夫棱镜对光子偏振态的作用相当于一个1/4波片，所以达夫棱镜后面必须引入1/4波片补偿光子偏振态，再通过半波片保持光子的偏振方向和原来一致。

以光子45度偏振态|45°>为例，描述达夫棱镜、1/4波片和半波片对光子偏振态的作用，其具体过程可以描述为：

45度偏振态可以描述为：

左旋圆偏振光：

135度偏振光：

达夫棱镜对光子偏振态1/4波片作用，1/4波片变换的琼斯矩阵为：

半波片快轴在X轴方向变换的琼斯矩阵为：

45°偏振态光子经过达夫棱镜变换为：

45°偏振光子经过达夫棱镜偏振态变为左旋圆偏光，左旋圆偏光通过1/4波片变换为：

得到135°偏振态光子，最后经过半波片的变换作用得到光子偏振态：

45度偏振态光子通过达夫棱镜模块后光子的偏振态保持不变，对编码的信号光子具有保偏作用。

要使级联的M-Z干涉仪分离任意轨道角动量值，其中达夫棱镜的相对相位应该调整为π/2^j-1，j表示为第j级级联M-Z干涉仪，每一阶级联M-Z干涉仪特定出射端口引入一个轨道角动量为Δl＝j(j为第j级联M-Z干涉仪)的全息图来改变出射光子的轨道角动量，以满足下一级的干涉条件。光子依据携带的不同轨道角动量从级联的M-Z干涉仪相应出射端口输出，自动路由寻址，轨道角动量分离效率100％，且不会破坏光子轨道角动量，M-Z干涉仪加入1/4波片和半波片可以保持光子在传输过程中编码的偏振信息保持不变，且整个分离装置用到的都是无源器件，易于集成化，可以高效快速的分离轨道角动量，提高通信效率。轨道角动量态对应着相应的用户，可以随用户数进行扩展，实现一对多量子网络通信。

优选地，所述Bob用户端包括N个Bob用户，每个Bob用户分别与多级级联的M-Z干涉仪中最后一级M-Z干涉仪的出射反射端口和出射透射端口的任意一个端口连接。

优选地，每个Bob用户包括偏振控制器与探测装置，所述探测装置又包括第六分束器，第二四分之一波片，第二、第三半波片，第一、第二偏振分束器和第一至第四探测器；

信号光子在所述第六分束器处进行分路：一部分信号光子通过第二半波片后进入到第一偏振分束器处分束最后进入到第一探测器和第二探测器中进行探测；另一部分信号光子依次通过所述第二四分之一波片和第二半波片后进入到第三偏振分束器进行分束最后进入到第三探测器和第四探测器中进行探测。

基于轨道角动量复用的量子密钥分发方法，该方法应用于如权利要求1-7任意一项所述的基于轨道角动量复用的量子密钥分发的网络系统中，该方法包括以下步骤：

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，调试所述空间光调制器，设定各部件的初始条件；

S2.信号调制单元测试：任意一个所述弱相干光源发送单光子进入到所述偏振片进行偏振调制，进入探测装置，观测探测器的响应是否正确；

S3.轨道角动量复用测试：由所述弱相干光源发射光信号，经过所述偏振片偏振调制后，再通过分束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通过所述轨道角动量分离装置进行解复用，所述轨道角动量分离装置根据光子携带不同的轨道角动量而选择从对应端口射出。

S5.系统噪声测试：在所述弱相干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：所述信号调制单元根据随机数码随机选择四个弱相干光源中的任意一个发送单光子信号，后经对应的偏振片进行偏振调制，其中随机数与所选择的光源顺序相对应，密钥发送端记录随机码信息；

S7.密钥筛选与成码：所述Bob用户端根据所述探测装置中的探测器响应情况来记录探测事件，接着Bob用户端根据记录的探测器响应的信息与Alice端记录的随机码信息通过公开信道进行信息比对，形成筛选密钥；然后在筛选密钥中随机挑选一些数据，通过计算信息误码率判断是否存在窃听，然后再次对筛选密钥进行数据协调，信息协调前后Alice与Bob的互信息将保持不变，最后通过保密放大协议进行数据保密放大，得到最终的安全密钥。

本发明的有益效果：与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1.本发明是基于光子偏振编码的自由空间量子通信网络方案，突破光纤通信双折射效应及光纤距离限制，自由空间光子偏振态能够稳定传输，可以实现远距离通信。

2.本发明将轨道角动量作为寻址信道使用，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；轨道角动量可以无限取值，通过空间光调制器调节光子轨道角动量可以复用任意多信息，每个轨道角动量对应一个用户端，可随用户端增加而扩展，可实现与任意多用户通信。

3.本发明利用M-Z干涉仪分离轨道角动量，M-Z干涉仪两条光路加入第一和第二达夫棱镜模块。M-Z干涉仪可以分离单光子水平的轨道角动量，且可以实现级联，分离任意多光子轨道角动量，分离效率100％，两条光路加入第一和第二达夫棱镜模块后可以无破坏测量光子轨道角动量，且可以保持信号光子的偏振态不发生变化。

4.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为达夫棱镜模块结构。

图2为两条光路加入第一和第二达夫棱镜模块的M-Z干涉仪结构。

图3为两级级联分离四个轨道角动量态光子的M-Z干涉仪结构。

图4为基于轨道角动量复用的量子密钥分发网络系统结构。

图5为分离任意轨道角动量态光子的级联装置示意图。

图6为基于轨道角动量复用的量子密钥分发流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。

参照附图1所示，为达夫棱镜模块结构，包括达夫棱镜101、第一1/4波片102和第一半波片103。达夫棱镜模块旋转轨道角动量(OAM)态光子的相位，达夫棱镜对光子的偏振态起1/4波片的作用，光子经过达夫棱镜会改变其偏振态，需加入1/4波片补偿偏振的变化，再通过半波片使光子的偏振方向和原来保持一致。所述达夫棱镜模块对光子偏振态的作用过程可以用以下过程描述：

45度偏振态光子经过达夫棱镜101变换为：

45度偏振光子经过达夫棱镜偏振态变为左旋圆偏光，左旋圆偏光通过1/4波片102变换为：

得到135度偏振态光子，最后经过半波片103的变换作用得到45度光子偏振态：

45度偏振态光子通过第一和第二达夫棱镜模块后光子的偏振态保持不变，对编码的信号光子具有保偏作用。

参照附图2所示，为具有改进型达夫棱镜模块204的M-Z干涉仪结构，其中第一和第二达夫棱镜模块结构完全相同也并联连接。每个M-Z干涉仪结构包括入射端口201，入射端口第四分束器203，第一反射镜202，改进型达夫棱镜模块204(包括第一和第二达夫棱镜模块)，出射端口第五分束器206，出射反射端口205，出射透射端口207，第二反射镜208。其中，所述第四分束器203和第五分束器206为50:50分束器。

所述M-Z干涉仪两条光路的达夫棱镜组合成一个光束旋转器，当M-Z两条光路的达夫棱镜的相对角度为α/2时，达夫棱镜的作用等效于在其中一条光路加入旋转角度为α的光束旋转器，轨道角动量为l的光子入射到所述M-Z干涉仪产生φ＝lα的相位差。

所述M-Z干涉仪对输入光子的作用描述如下：

设入射到M-Z干涉仪输入端口第四50：50分束器(BS1)203的光子态为:

|in>_BS1＝|0>|1>

|0>表示真空态，|1>表示单光子态,下同。经第四分束器203的作用后，输出态为：

上述式子表明光子从第四分束器203透射端和反射端输出的概率都是50％，但从反射端输出时附加了90度的相位跃变。光子再经过达夫棱镜101的作用后，两条光路产生了φ＝lα的相位差，则M-Z干涉仪输出端第五分束器(BS2)206的输入态为：

经过第五分束器206作用后变为：

|out>_BS2＝1/2(1-e^iφ)|0>|1>+i/2(1+e^iφ)|1>|0>

上式表明，光子在第五分束器(BS2)206中发生干涉，光子的相位发生了改变，其中φ＝lα，设达夫棱镜的相对角度为π：

轨道角动量阶数l为奇数时，第五分束器(BS2)206光子输出态|out>_BS2变为：|0>|1>，光子从分束器透射端口207射出。

轨道角动量阶数l为偶数时，第五分束器(BS2)206光子输出态|out>_BS2变为：i|1>|0>，光子从分束器反射端口207射出。

参照附图3所示，为两级级联分离四个轨道角动量(OAM)态光子的M-Z干涉仪结构。包括复用入射端口301，第一级M-Z干涉仪302，第二级分离偶数OAM态光子M-Z干涉仪303，第二级分离奇数OAM态光子M-Z干涉仪304，出射端口305、306、307和308。假设从入射端口301入射轨道角动量l＝1,2,3和4的光子，第一级M-Z干涉仪的达夫棱镜相对角度为π，第二级M-Z干涉仪的达夫棱镜相对角度为π/2，第一级M-Z干涉仪分离偶数和奇数OAM态光子，轨道角动量l＝2和4光子进入分离偶数OAM态光子M-Z干涉仪303，轨道角动量l＝1和3的光子进入M-Z干涉仪304，不同轨道角动量的光子经过M-Z干涉仪其相位改变量不同，轨道角动量l＝4的光子从305端口射出，l＝2的光子从306端口射出，l＝3的光子从308端口射出，l＝1的光子从307端口射出。

参照附图4所示：为基于轨道角动量复用的量子密钥分发网络系统结构。包括Alice控制端438，轨道角动量模分复用单元441和Bob用户端443，其中：

所述Alice控制端包括信号调制单元439和轨道角动量复用单元440。所述信号调制单元包括四个完全一样的第一至第四弱相干光源401、406、410和412，45度偏振片402、135度偏振片405、左旋圆偏振片409和右旋圆偏振片411，第一分束器404，第二分束器408和第三分束器407；所述轨道角动量复用单元又包括空间光调制器413和倒置伽利略望远镜组件414。

所述轨道角动量模分复用单元441包括伽利略望远镜组件416和轨道角动量分离装置442。所述伽利略望远镜组件416包括一块双曲面凸透镜；所述轨道角动量分离装置由级联的M-Z干涉仪417、419和420组成。以四用户为例，轨道角动量分离装置442的具体结构和图3两级级联分离四个OAM态光子的M-Z干涉仪结构一样，其中M-Z干涉仪417对应干涉仪302，419对应303，420对应304。

所述Bob用户端包括N个Bob用户，以四用户为例，Bob用户端包括用户423、424、425和426，每个Bob用户包括偏振控制器427与探测装置444；所述探测装置又包括第六分束器428、第二1/4波片433、第二半波片429，434、第一和第二偏振分束器430，435、第一至第四探测器431、432、436和437。

下面参照附图4具体描述量子密钥分发过程：

所述Alice控制端中的信号调制单元439依据随机数选择弱相干光源发射单光子态，单光子进入到相应的偏振片进行相应的偏振调制。其调制过程可以描述为：“0”表示选用对角基，“1”表示选用圆偏基；“0”表示选用45度偏振片和左旋圆偏振片，“1”表示选用135度偏振片和右旋圆偏振片，“00”表示选择弱相干光源401发射单光子进入到45度偏振片402得到|45°>态光子，“01”表示选择弱相干光源406发射单光子进入到135度偏振片405得到|135°>态光子，“10”表示选择弱相干光源410发射单光子进入到左旋圆偏振片409得到|L>态光子，“11”表示选择弱相干光源412进入到右旋圆偏振片411得到|R>态光子，Alice记录调制信息的随机码；

编码后的信号态光子进入到空间光调制器413调制轨道角动量，空间光调制器由计算机控制可调制任意轨道角动量态进行复用，每个轨道角动量对应Bob用户端443相应的用户，经过空间光调制器调制后的光子就可以和对应的用户建立量子信道进行通信；

OAM态光子进入到倒置伽利略望远镜组件414，所述倒置伽利略望远镜组件414由两个共焦的凸透镜组成，激光光束为高斯光束，具有一定的远场发散角，所述倒置伽利略望远镜组件压缩激光光束的远场发散角，经准直后的光束再发射到自由空间当中；接收端为轨道角动量解复用单元441，首先自由空间信号态光子被伽利略望远镜组件416接收，伽利略望远镜组件416主要由双曲面凸透镜组成，主要起光学天线和空间滤波器的作用，滤除空间中的杂散光；OAM态光子通过伽利略望远镜组件416进入轨道角动量分离装置442。

以两级级联分离四个轨道角动量态为例说明OAM态光子自动信道寻址的过程：轨道角动量分离装置442的具体结构和附图3两级级联分离四个OAM态光子的M-Z干涉仪结构一样，其中M-Z干涉仪417对应干涉仪302，419对应303，420对应304，轨道角动量分离装置442可以实现和对应Bob端四个用户通信，假设轨道角动量复用单元440中的空间光调制器413调制的光子轨道角动量为l＝1、2、3和4，则轨道角动量l＝4的光子进入用户端423，l＝2的光子进入用户端424，l＝3的光子进入用户端425，l＝1的光子进入用户端426，OAM态光子根据携带的轨道角动量自动寻址进入相应的用户，高效且不会破坏信号光子所编码的信息；以Bob用户端425为例描述信号光子的探测过程，427为偏振控制器，保持信号光子的偏振态，光子进入50:50分束器428随机选择一路传送，假设水平透射一路为45度|45°>或135度|135°>偏振态光子，45度偏振态光子进入半波片429被旋转为水平偏振态|H>，入射到偏振分束器430水平透射，第一探测器431响应，记录为“0”，135度偏振态光子进入半波片429被旋转为竖直偏振态|V>，入射到偏振分束器430竖直反射，第二探测器432响应，记录为“1”，如果是圆偏光经过50:50分束器428水平透射，则第一和第二探测器431和432随机响应；假设光子进入50:50分束器428竖直反射一路为左旋|L>和右旋|R>圆偏振光，左旋|L>偏振光子进入到1/4波片433被旋转为45度偏振光，再通过半波片434旋转为水平偏振态|H>，进入偏振分束器435后透射，第四探测器437响应，记录为“0”；右旋|R>偏振光子进入到1/4波片433被旋转为135度偏振光，再通过半波片434旋转为竖直偏振态|V>，进入偏振分束器435后反射，第三探测器436响应，记录为“1”，若光子进入50:50分束器428竖直反射一路为45度和135度偏振光，则第三和第四探测器436和437随机响应。Bob用户端根据记录的探测器响应的信息与Alice端记录的随机码信息通过公开信道进行信息比对，经过筛选和后处理得到最终的密钥。上述为量子密钥分发的整个过程。

参照附图5所示，为分离任意OAM态光子级联装置示意图，要实现与任意多用户通信，必须将图2所示M-Z干涉仪进行多级级联。图5所示第一级级联单元501分离偶数和奇数OAM态光子，第一级的M-Z干涉仪中的达夫棱镜101的旋转角度设置为π，全息图502改变OAM为Δl＝1；第二级有四个出射端口，达夫棱镜101的旋转角度设置为π/2，全息图503和504Δl＝2；第三级有8个出射端口，达夫棱镜101旋转角度设置为π/2²,第三级全息图设置为Δl＝3。n级级联有2ⁿ个出射端口，可以和2ⁿ个Bob用户端进行通信，要使级联的M-Z干涉仪分离任意轨道角动量值，其中达夫棱镜的相对相位应该调整为π/2^j-1，j表示为第j级级联M-Z干涉仪，每一阶级联M-Z干涉仪特定出射端口引入一个轨道角动量为Δl＝j(j为第j级联M-Z干涉仪)的全息图来改变出射光子的轨道角动量，以满足下一级的干涉条件。光子依据携带的不同轨道角动量从级联的M-Z干涉仪相应出射端口输出，自动路由寻址，轨道角动量分离效率100％，且不会破坏光子轨道角动量，M-Z干涉仪加入1/4波片和半波片可以保持光子在传输过程中编码的偏振信息保持不变，且整个分离装置用到的都是无源器件，易于集成化，可以高效快速的分离轨道角动量，提高通信效率。

参照附图6所示，基于轨道角动量复用的量子密钥分发方法，包括上述的一种基于轨道角动量复用的量子密钥分发网络系统。其包括以下步骤：

S1.系统初始化：检查Alice控制端和Bob用户端，查看各部件是否正常运转，调试所述空间光调制器，设定各装置的初始条件；

S2.信号调制单元测试：4个弱相干光源任意一个发送单光子进入到45度偏振片，135度偏振片，左旋圆偏振片和右旋圆偏振片中与其对应的偏振片进行偏振调制，最后进入到探测装置，观测探测器的响应是否正确；

S3.轨道角动量复用测试：由所述弱相干光源发射光子信号，经过所述4个偏振片偏振调制后，再通过分束器耦合到所述空间光调制器上，对光子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通过所述轨道角动量分离装置进行解复用，所述轨道角动量分离装置根据光子携带不同的轨道角动量而选择从对应端口射出；

S5.系统噪声测试：在所述弱相干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：所述信号调制单元根据随机数码随机选择四个弱相干光源中的任意一个发送单光子信号，后经对应的偏振片进行偏振调制，其中随机数与所选择的光源顺序相对应，密钥发送端记录随机码信息；

S7.密钥筛选与成码：所述Bob用户端根据所述探测装置中的探测器响应情况来记录探测事件，接着Bob用户端根据记录的探测器响应的信息与Alice端记录的随机码信息通过公开信道进行信息比对，形成筛选密钥；然后在筛选密钥中随机挑选一些数据，通过计算信息误码率判断是否存在窃听，然后再次对筛选密钥进行数据协调，信息协调前后Alice与Bob的互信息将保持不变，最后通过保密放大协议进行数据保密放大，得到最终的安全密钥。

Claims (7)

1.基于轨道角动量复用的量子密钥分发网络系统，其特征在于，包括Alice控制端，轨道角动量模分复用单元和Bob用户端，其中：

所述Alice控制端包括信号调制单元和轨道角动量复用单元，所述轨道角动量复用单元包括空间光调制器和倒置伽利略望远镜组件；

所述轨道角动量模分复用单元包括伽利略望远镜组件和轨道角动量分离装置；

所述Bob用户端包括N个Bob用户，每个Bob用户包括偏振控制器与探测装置；

所述信号调制单元产生的光信号依次进入到所述空间光调制器、倒置伽利略望远镜组件、伽利略望远镜组件和轨道角动量分离装置，然后所述轨道角动量分离装置根据光子携带的不同轨道角动量来决定光子从不同的端口输出；将所述轨道角动量分离装置输出的信号光子传送至对应Bob用户的偏振控制器中，最后进入到所述探测装置进行探测；

所述信号调制单元包括第一至第四4个弱相干光源，45度偏振片，135度偏振片，左旋圆偏振片和右旋圆偏振片，第一至第三分束器；所述第一至第四弱相干光源发射单光子态分别进入到所述45度偏振片，135度偏振片，左旋圆偏振片和右旋圆偏振片中，然后从所述45度偏振片和135度偏振片传输出来的信号光子在第一分束器处耦合，从所述左旋圆偏振片和右旋圆偏振片传输出来的信号光子在第二分束器处耦合，所述第一分束器与第二分束器传输出来的信号光子统一在所述第三分束器处耦合，最后传输到所述轨道角动量复用单元中；

所述轨道角动量分离装置包括若干级联的M-Z干涉仪，若干M-Z干涉仪级联从前至后依次连接；Bob用户与最后一级M-Z干涉仪的任意一个出射端口连接；

每个M-Z干涉仪包括入射端口，第四分束器，第一反射镜，第一、第二达夫棱镜模块，第五分束器，出射反射端口，出射透射端口和第二反射镜；

信号光子进入到空间光调制器后，依次穿过倒置伽利略望远镜组件和伽利略望远镜组件进入到所述M-Z干涉仪中，接着进入到M-Z干涉仪的第四分束器中，在所述第四分束器处形成第一光路和第二光路，其中第一光路路径为：一部分信号光子直接通过第一达夫棱镜模块进入到第二反射镜；第二光路路径为：另一部分信号光子通过第一反射镜后再进入到第二达夫棱镜模块，然后与第二反射镜反射过来的信号光子在所述第五分束器处耦合，最后分别从出射反射端口和出射透射端口射出。

2.如权利要求1所述的基于轨道角动量复用的量子密钥分发网络系统，其特征在于，所述倒置伽利略望远镜组件包括两个共焦的凸透镜，所述伽利略望远镜组件包括一个双曲面凸透镜。

3.如权利要求2所述的基于轨道角动量复用的量子密钥分发网络系统，其特征在于，所述第一、第二达夫棱镜模块均包括依次连接的达夫棱镜，第一四分之一波片和第一半波片。

4.如权利要求3所述的基于轨道角动量复用的量子密钥分发网络系统，其特征在于，任意一个前级的M-Z干涉仪的出射反射端口和出射透射端口分别通过M-Z干涉仪的入射端口与后级的M-Z干涉仪连接。

5.如权利要求1所述的基于轨道角动量复用的量子密钥分发网络系统，其特征在于，所述Bob用户端包括N个Bob用户，每个Bob用户分别与多级级联的M-Z干涉仪中最后一级M-Z干涉仪的出射反射端口和出射透射端口的任意一个端口连接。

6.如权利要求5所述的基于轨道角动量复用的量子密钥分发网络系统，其特征在于，每个Bob用户包括偏振控制器与探测装置，所述探测装置又包括第六分束器，第二四分之一波片，第二、第三半波片，第一、第二偏振分束器和第一至第四探测器；

信号光子在所述第六分束器处进行分路：一部分信号光子通过第二半波片后进入到第一偏振分束器处分束最后进入到第一探测器和第二探测器中进行探测；另一部分信号光子依次通过所述第二四分之一波片和第二半波片后进入到第三偏振分束器进行分束最后进入到第三探测器和第四探测器中进行探测。

7.基于轨道角动量复用的量子密钥分发方法，其特征在于，该方法应用于如权利要求1-6任意一项所述的基于轨道角动量复用的量子密钥分发的网络系统中，该方法包括以下步骤：

S1.系统初始化：检查Alice控制端和Bob用户端，查看各部件是否正常运转，调试所述空间光调制器，设定各装置的初始条件；

S2.信号调制单元测试：4个弱相干光源任意一个发送单光子进入到45度偏振片，135度偏振片，左旋圆偏振片和右旋圆偏振片中与其对应的偏振片进行偏振调制，最后进入到探测装置，观测探测器的响应是否正确；

S3.轨道角动量复用测试：由所述弱相干光源发射光子信号，经过4个偏振片偏振调制后，再通过分束器耦合到所述空间光调制器上，对光子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通过所述轨道角动量分离装置进行解复用，所述轨道角动量分离装置根据光子携带不同的轨道角动量而选择从对应端口射出；

S5.系统噪声测试：在所述弱相干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：所述信号调制单元根据随机数码随机选择四个弱相干光源中的任意一个发送单光子信号，后经对应的偏振片进行偏振调制，其中随机数与所选择的光源顺序相对应，密钥发送端记录随机码信息；

S7.密钥筛选与成码：所述Bob用户端根据所述探测装置中的探测器响应情况来记录探测事件，接着Bob用户端根据记录的探测器响应的信息与Alice端记录的随机码信息通过公开信道进行信息比对，形成筛选密钥；然后在筛选密钥中随机挑选一些数据，通过计算信息误码率判断是否存在窃听，然后再次对筛选密钥进行数据协调，信息协调前后Alice与Bob的互信息将保持不变，最后通过保密放大协议进行数据保密放大，得到最终的安全密钥。

Images