CN110460441B - 基于轨道角动量的连续变量量子密钥分发方法及系统 - Google Patents

基于轨道角动量的连续变量量子密钥分发方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于轨道角动量的连续变量量子密钥分发方法，包括初始化；发送方获取信号光和辅助光、调制信号光；将调制后的信号光调制成模式不同的信号光轨道角动量光束并进行轨道角动量复用后，再与辅助光一同进行偏振复用并发送给接收方；接收方偏振解复用接收光信号、将辅助光调制成模式不同的辅助光轨道角动量光束并对接收并解复用后得到的轨道角动量复用后的模式不同的信号光轨道角动量光束进行解调得到发送方发送的信号光以及随机测量信号光的正则位置X或正则动量P的值得到最终的发送方发送的密钥数据。本发明还公开了实现所述基于轨道角动量的连续变量量子密钥分发方法的系统。本发明能够提高系统通信容量并降低大气信道引入的噪声。

Description

基于轨道角动量的连续变量量子密钥分发方法及系统
技术领域
本发明具体涉及一种基于轨道角动量的连续变量量子密钥分发方法及系统。
背景技术
量子密钥分发(QKD)是量子密码的重要应用之一，它允许两个合法方Alice和Bob通过不可信的环境交换一个公共密钥。它的安全性是由量子力学定律所保证的。目前，量子通信中常用的密钥分发方法有离散变量(DV)QKD和连续变量(CV)QKD。CVQKD编码高斯状态的二次性质信息，是DVQKD的另一种选择，具有更高的密钥分发率。随着近年来研究的发展，CVQKD以其检测效率高、实验成本低等优点成为QKD研究的热点。高斯调制的CVQKD协议已经被证明是安全的，可以抵御集体攻击和一致攻击。此外，在渐近尺度和有限尺度下是最优的。
总的来说，QKD系统可以由两种主要的链路类型构成，光纤链路和自由空间链路。然而，长距离环境带来了许多技术挑战。基于光纤的QKD实验由于通道和检测器的损耗，电流传输距离被限制在几百公里。另一方面，由于其灵活实用的系统，FSO链路受到了越来越多的关注。然而，与传统通信相比，CVQKD的密钥率仍然相对较低，多路复用技术是解决这一问题的有效途径。众所周知，轨道角动量(OAM)是光子的一个重要物理量。由于OAM态的无限性和正交性，光子的轨道角动量为实现多路复用技术提供了一种有效的途径。将两种方法应用于轨道角动量的复用。一种是在更高维度(理论上是无限维度)的希尔伯特空间中编码信息，这在DVQKD中得到了应用。另一种是利用OAM波束作为多路信息载体，其普遍应用于CVQKD中。
然而，由于大气湍流的存在，大气信道被扭曲，导致信号散射、波动和吸收，从而导致自由空间光通信难以长到足以用于实际目的。此外，衍射引起的串扰也会影响传输距离。因此，对削弱大气湍流影响的远程自由空间通信系统至关重要。事实上，人们已经提出了各种技术来减轻大气湍流的影响，如信道编码、自适应光学、分集技术和均衡技术等。然而，自适应光学方法往往采用高端电子、光学或机械硬件。而信道编码难以抵抗强湍流的影响。
发明内容
本发明的目的之一在于提供一种成本低廉、可靠性高且能够抵抗强湍流影响的基于轨道角动量的连续变量量子密钥分发方法。
本发明的目的之二在于提供一种实现所述基于轨道角动量的连续变量量子密钥分发方法的系统。
本发明提供的这种基于轨道角动量的连续变量量子密钥分发方法，包括如下步骤：
S1.发送方和接收方进行各自初始化；
S2.发送方通过光分束器将相干光源分为信号光和辅助光，并对信号光进行调制；
S3.发送方将调制后的信号光再次调制成模式不同的信号光轨道角动量光束，将模式不同的信号光轨道角动量光束进行轨道角动量复用后，再与辅助光一同进行偏振复用并发送给接收方；
S4.接收方对接收到的光信号进行偏振解复用；
S5.接收方将得到的辅助光调制成模式不同的辅助光轨道角动量光束；
S6.接收方采用步骤S5得到的模式不同的辅助光轨道角动量光束，对步骤S4接收并解复用后得到的轨道角动量复用后的模式不同的信号光轨道角动量光束进行解调，从而得到发送方发送的信号光；
S7.接收方随机测量步骤S6得到的信号光的正则位置X或正则动量P的值，从而得到最终的发送方发送的密钥数据。
步骤S2所述的对信号光进行调制，具体为对信号光进行相位调制和幅度调制。
所述的对信号光进行相位调制和幅度调制，具体为通过相位及幅度调制对相干态正则分量X和P进行编码调制，使信号光服从均值为零的，方差为VA的高斯分布；VA的取值范围为0<VA<100。
步骤S3所述的发送方将调制后的信号光再次调制成模式不同的信号光轨道角动量光束，具体为发送方将调制后的信号光通过光分束器分为N束，并将每束光分别通过不同的空间光调制器形成模式不同的信号光轨道角动量光束；N为自然数且N的取值范围为-20<N<20。
步骤S5所述的接收方将得到的辅助光调制成模式不同的辅助光轨道角动量光束，具体为接收方将得到的辅助光通过光分束器分为N束，并将每束光分别通过与步骤S3中相同的空间光调制器形成模式不同的辅助光轨道角动量光束；N为自然数且N的取值范围为-20<N<20。
步骤S6所述的接收方采用步骤S5得到的模式不同的辅助光轨道角动量光束，对步骤S4接收并解复用后得到的轨道角动量复用后的模式不同的信号光轨道角动量光束进行解调，具体为接收方根据步骤S5得到的模式不同的辅助光轨道角动量光束，采用Homodyne检测器对步骤S4接收并解复用后得到的轨道角动量复用后的模式不同的信号光轨道角动量光束进行解调。
所述的采用Homodyne检测器对步骤S4接收并解复用后得到的轨道角动量复用后的模式不同的信号光轨道角动量光束进行解调，具体为对步骤S4接收并解复用后得到的轨道角动量复用后的模式不同的信号光轨道角动量光束的相位进行0度或90度调制，然后与本振光输入50:50的分束器后，再接入标定Homodyne检测器进行解调。
本发明还提供了一种实现所述基于轨道角动量的连续变量量子密钥分发方法的系统，包括发送方和接收方；发送方包括脉冲激光器、发送方第一分束器、发送方电光强度调制器、发送方电光相位调制器、发送方第二分束器、发送方第一空间光调制器～发送方第N空间光调制器、耦合器和偏振耦合器，接收方包括偏振分束器、接收方第一分束器、接收方电光相位调制器、接收方第二分束器、接收方第一空间光调制器～接收方第N空间光调制器和接收方第一零差探测器～接收方第N零差探测器；对于发送方：脉冲激光器、发送方第一分束器、发送方电光强度调制器、发送方电光相位调制器和发送方第二分束器依次串联；发送方第一空间光调制器～发送方第N空间光调制器全部并联；发送方第二分束器的输出端同时连接发送方第一空间光调制器～发送方第N空间光调制器的输入端；发送方第一空间光调制器～发送方第N空间光调制器的输出端均连接耦合器的输入端；耦合器的输出端连接偏振耦合器的输入端，偏振耦合器的第二输入端还连接发送方第一分束器的第二输出端；偏振耦合器输出的信号直接发送至接收方；对于接收方：偏振分束器的输入信号为接收方接收的信号；偏振分束器的第一输出端连接接收方第一分束器的输入端，偏振分束器的第二输出端连接接收方电光相位调制器的输入端，接收方电光相位调制器的输入端连接接收方第二分束器的输入端；接收方第一分束器有N个输出端，N个输出端各自分别连接到接收方第一零差探测器～接收方第N零差探测器的第一输入端；接收方第二分束器有N个输出端，N个输出端各自连接接收方第一空间光调制器～接收方第N空间光调制器的输入端；接收方第一空间光调制器～接收方第N空间光调制器的输出端依次连接接收方第一零差探测器～接收方第N零差探测器的第二输入端；接收方第一空间光调制器～接收方第N空间光调制器与发送方第一空间光调制器～发送方第N空间光调制器依次相同；脉冲激光器输出的光通过发送方第一分束器分为信号光和辅助光，信号光通过发送方电光强度调制器进行幅度调制后，在通过发送方电光相位调制器进行相位调制，然后通过发送方第二分束器分为N束后，分别通过发送方第一空间光调制器～发送方第N空间光调制器转换为模式不同的信号光轨道角动量光束，通过耦合器进行轨道角动量复用后，再通过偏振耦合器与辅助光进行偏振复用后，发送给接收方；接收方接收到信号后，通过偏振分束器进行偏振解复用得到辅助光和轨道角动量复用后的模式不同的信号光轨道角动量光束；辅助光通过接收方电光相位调制器实现对辅助光移相后通过接收方第二分束器将辅助光分为N束，再通过接收方第一空间光调制器～接收方第N空间光调制器转换为模式不同的辅助光轨道角动量光束；然后采用接收方第一零差探测器～接收方第N零差探测器，根据得到的辅助光轨道角动量光束，对轨道角动量复用后的模式不同的信号光轨道角动量光束进行解调，从而得到最终的发送方发送的信号光。
本发明提供的这种基于轨道角动量的连续变量量子密钥分发方法及系统，可以将轨道角动量技术有效应用于连续变量量子密钥分发中，并通过轨道角动量的复用有效提高系统通信容量，而且能够有效降低大气信道引入的噪声，成本低廉且可靠性高。
附图说明
图1为本发明方法的方法流程示意图。
图2为本发明系统的系统功能模块图。
具体实施方式
如图1所示为本发明方法的方法流程示意图：本发明提供的这种基于轨道角动量的连续变量量子密钥分发方法，包括如下步骤：
S1.发送方和接收方进行各自初始化；具体包括对CVQKD系统中的信源、随机数源、调制解调器、检测器以及控制电路进行初始化；
S2.发送方通过光分束器将相干光源分为信号光和辅助光，并对信号光进行调制，包括相位调制和幅度调制；
在具体实施时，通过相位及幅度调制对相干态正则分量X和P进行编码调制，使信号光服从均值为零的，方差为VA的高斯分布；VA的取值范围为0<VA<100；
S3.发送方将调制后的信号光再次调制成模式不同的信号光轨道角动量光束，将模式不同的信号光轨道角动量光束进行轨道角动量复用后，再与辅助光一同进行偏振复用并发送(通过大气信道)给接收方；具体为发送方将调制后的信号光通过光分束器分为N束，并将每束光分别通过不同的空间光调制器形成模式不同的信号光轨道角动量光束；N为自然数且N的取值范围为-20<N<20；
在具体实施时，每束光分别通过不同的空间光调制器形成模式不同的信号光轨道角动量光束，即第一束光通过第一空间光调制器，第二束光通过第二空间光调制器，以此类推，直至第N束光通过第N空间光调制器，并且保证第一空间光调制器～第N空间光调制器各不相同；
空间光调制器可以采用Thorlabs公司的型号为EXULUS-HD4的产品；
S4.接收方对接收到的光信号进行偏振解复用；
S5.接收方将得到的辅助光调制成模式不同的辅助光轨道角动量光束；具体为接收方将得到的辅助光通过光分束器分为N束，并将每束光分别通过与步骤S3中相同的空间光调制器形成模式不同的辅助光轨道角动量光束；N为自然数且N的取值范围为-20<N<20；
在具体实施时，将辅助光分为N束，并且将第一束子辅助光通过第一空间光调制器，第二束子辅助光通过第二空间光调制器，以此类推，直至第N束子辅助光光通过第N空间光调制器，且保证第一空间光调制器～第N空间光调制器与步骤S3所述的第一空间光调制器～第N空间光调制器依次相同；
S6.接收方采用步骤S5得到的模式不同的辅助光轨道角动量光束，对步骤S4接收并解复用后得到的轨道角动量复用后的模式不同的信号光轨道角动量光束进行解调，从而得到发送方发送的信号光；具体为接收方根据步骤S5得到的模式不同的辅助光轨道角动量光束，采用Homodyne检测器对步骤S4接收并解复用后得到的轨道角动量复用后的模式不同的信号光轨道角动量光束进行解调；
具体实施时，对步骤S4接收并解复用后得到的轨道角动量复用后的模式不同的信号光轨道角动量光束的相位进行0度或90度调制，然后与本振光输入50:50的分束器后，再接入标定Homodyne检测器进行解调；
Homodyne检测器可以采用Thorlabs公司的型号为PDB450C的产品；
S7.接收方随机测量步骤S6得到的信号光的正则位置X或正则动量P的值，从而得到最终的发送方发送的密钥数据。
如图2所示为本发明系统的系统功能模块图：本发明还提供了一种实现所述基于轨道角动量的连续变量量子密钥分发方法的系统，包括发送方和接收方；发送方包括脉冲激光器、发送方第一分束器、发送方电光强度调制器、发送方电光相位调制器、发送方第二分束器、发送方第一空间光调制器～发送方第N空间光调制器、耦合器和偏振耦合器，接收方包括偏振分束器、接收方第一分束器、接收方电光相位调制器、接收方第二分束器、接收方第一空间光调制器～接收方第N空间光调制器和接收方第一零差探测器～接收方第N零差探测器；对于发送方：脉冲激光器、发送方第一分束器、发送方电光强度调制器、发送方电光相位调制器和发送方第二分束器依次串联；发送方第一空间光调制器～发送方第N空间光调制器全部并联；发送方第二分束器的输出端同时连接发送方第一空间光调制器～发送方第N空间光调制器的输入端；发送方第一空间光调制器～发送方第N空间光调制器的输出端均连接耦合器的输入端；耦合器的输出端连接偏振耦合器的输入端，偏振耦合器的第二输入端还连接发送方第一分束器的第二输出端；偏振耦合器输出的信号直接发送至接收方；对于接收方：偏振分束器的输入信号为接收方接收的信号；偏振分束器的第一输出端连接接收方第一分束器的输入端，偏振分束器的第二输出端连接接收方电光相位调制器的输入端，接收方电光相位调制器的输入端连接接收方第二分束器的输入端；接收方第一分束器有N个输出端，N个输出端各自分别连接到接收方第一零差探测器～接收方第N零差探测器的第一输入端；接收方第二分束器有N个输出端，N个输出端各自连接接收方第一空间光调制器～接收方第N空间光调制器的输入端；接收方第一空间光调制器～接收方第N空间光调制器的输出端依次连接接收方第一零差探测器～接收方第N零差探测器的第二输入端；接收方第一空间光调制器～接收方第N空间光调制器与发送方第一空间光调制器～发送方第N空间光调制器依次相同；脉冲激光器输出的光通过发送方第一分束器分为信号光和辅助光，信号光通过发送方电光强度调制器进行幅度调制后，在通过发送方电光相位调制器进行相位调制，然后通过发送方第二分束器分为N束后，分别通过发送方第一空间光调制器～发送方第N空间光调制器转换为模式不同的信号光轨道角动量光束，通过耦合器进行轨道角动量复用后，再通过偏振耦合器与辅助光进行偏振复用后，发送给接收方；接收方接收到信号后，通过偏振分束器进行偏振解复用得到辅助光和轨道角动量复用后的模式不同的信号光轨道角动量光束；辅助光通过接收方电光相位调制器实现对辅助光移相(接收方电光相位调制器实现对辅助光的π/2或0相移)后通过接收方第二分束器将辅助光分为N束，再通过接收方第一空间光调制器～接收方第N空间光调制器转换为模式不同的辅助光轨道角动量光束；然后采用接收方第一零差探测器～接收方第N零差探测器，根据得到的辅助光轨道角动量光束，对轨道角动量复用后的模式不同的信号光轨道角动量光束进行解调，从而得到最终的发送方发送的信号光。
以下结合一个具体实施例，对本发明进行说明：
首先Alice(发送方)及Bob(接收方)对CVQKD系统进行通信初始化，包括信源、随机数源、编解码器、检测器及控制电路的初始化。发送端Alice通过一个分束器将光路分成辅助光路及信号光路。在信号光路，Alice通过相位及幅度调制对相干态正则分量X和P进行编码调制，使信号光服从一个均值为零的，方差为VA的高斯分布。随后信号光通过分束器分为N束光，并分别通过不同的空间光调制器形成轨道角动量光束，随后Alice通过偏振及时间复用技术，将N束信号光及辅助光同时通过相同的大气信道发送给Bob。
在接收端，Bob首先进行偏振和时间解复用，随后将辅助光通过分束器分为N束，并通过与信号光所通过的一一对应的空间光调制器形成轨道角动量光束，并通过Homodyne检测器随机选择测量分量X和P。
该基于OAM的CVQKD方案之所以能有效抵抗大气湍流产生的影响并提高系统总密钥率，第一个重要原因是将轨道角动量技术有效应用于连续变量量子密钥分发中，并通过轨道角动量的复用有效提高系统通信容量；第二个重要原因是通过基于相干检测的相位检索方案，有效降低大气信道引入的噪声。
以下具体分析基于相干检测的相位检索算法对自由空间CVQKD系统引入大气湍流噪声的抑制。
首先考虑接收到的信号光
Figure BDA0002203088200000101
式中
Figure BDA0002203088200000102
为受湍流影响后接收到的信号光，r为距离高斯光束中轴的径向距离，θ为方位角，t为时间轴，p为轨道角动量光束编号，N为表示信号光所包含的轨道角动量光束数量，Mp(t)为数据信息，
Figure BDA0002203088200000103
为第p束轨道角动量光束的高斯光束腰部的复杂电场振幅，i为虚数单位，lp为OAM光束的拓扑电荷取值，
Figure BDA0002203088200000104
为大气湍流产生的串扰相位；
接收到的辅助光通过空间光调制器后表示为
Figure BDA0002203088200000105
式中URX(r,θ,t)为经过空间光调制器产生的轨道角动量模式的辅助光，ARX(r)为第q束轨道角动量光束的高斯光束腰部的复杂电场振幅，lq为第q束辅助光所用空间光调制器产生的拓扑荷数；
通过Homodyne检测器后的光束表示为：
Figure BDA0002203088200000111
式中UH(r,θ,t)为分离出的单一模式轨道角动量信号光，*为共轭变换符号，lq为第q束辅助光所用空间光调制器产生的拓扑荷数；
通过以上分析可以看出基于相干检测的相位检索算法可以有效缓解大气信道带来的相位噪声，能满足基于轨道角动量的连续变量量子密钥分发的实现。

Claims (7)

1.一种基于轨道角动量的连续变量量子密钥分发方法，包括如下步骤：
S1. 发送方和接收方进行各自初始化；
S2. 发送方通过光分束器将相干光源分为信号光和辅助光，并对信号光进行调制；
S3. 发送方将调制后的信号光再次调制成模式不同的信号光轨道角动量光束，将模式不同的信号光轨道角动量光束进行轨道角动量复用后，再与辅助光一同进行偏振复用并发送给接收方；
S4. 接收方对接收到的光信号进行偏振解复用；
S5. 接收方将得到的辅助光调制成模式不同的辅助光轨道角动量光束；
S6. 接收方采用步骤S5得到的模式不同的辅助光轨道角动量光束，对步骤S4接收并解复用后得到的轨道角动量复用后的模式不同的信号光轨道角动量光束进行解调，从而得到发送方发送的信号光；
S7. 接收方随机测量步骤S6得到的信号光的正则位置X或正则动量P的值，从而得到最终的发送方发送的密钥数据；
同时，实现所述的基于轨道角动量的连续变量量子密钥分发方法的系统，包括发送方和接收方；发送方包括脉冲激光器、发送方第一分束器、发送方电光强度调制器、发送方电光相位调制器、发送方第二分束器、发送方第一空间光调制器~发送方第N空间光调制器、耦合器和偏振耦合器，接收方包括偏振分束器、接收方第一分束器、接收方电光相位调制器、接收方第二分束器、接收方第一空间光调制器~接收方第N空间光调制器和接收方第一零差探测器~接收方第N零差探测器；对于发送方：脉冲激光器、发送方第一分束器、发送方电光强度调制器、发送方电光相位调制器和发送方第二分束器依次串联；发送方第一空间光调制器~发送方第N空间光调制器全部并联；发送方第二分束器的输出端同时连接发送方第一空间光调制器~发送方第N空间光调制器的输入端；发送方第一空间光调制器~发送方第N空间光调制器的输出端均连接耦合器的输入端；耦合器的输出端连接偏振耦合器的输入端，偏振耦合器的第二输入端还连接发送方第一分束器的第二输出端；偏振耦合器输出的信号直接发送至接收方；对于接收方：偏振分束器的输入信号为接收方接收的信号；偏振分束器的第一输出端连接接收方第一分束器的输入端，偏振分束器的第二输出端连接接收方电光相位调制器的输入端，接收方电光相位调制器的输入端连接接收方第二分束器的输入端；接收方第一分束器有N个输出端，N个输出端各自分别连接到接收方第一零差探测器~接收方第N零差探测器的第一输入端；接收方第二分束器有N个输出端，N个输出端各自连接接收方第一空间光调制器~接收方第N空间光调制器的输入端；接收方第一空间光调制器~接收方第N空间光调制器的输出端依次连接接收方第一零差探测器~接收方第N零差探测器的第二输入端；接收方第一空间光调制器~接收方第N空间光调制器与发送方第一空间光调制器~发送方第N空间光调制器依次相同；脉冲激光器输出的光通过发送方第一分束器分为信号光和辅助光，信号光通过发送方电光强度调制器进行幅度调制后，在通过发送方电光相位调制器进行相位调制，然后通过发送方第二分束器分为N束后，分别通过发送方第一空间光调制器~发送方第N空间光调制器转换为模式不同的信号光轨道角动量光束，通过耦合器进行轨道角动量复用后，再通过偏振耦合器与辅助光进行偏振复用后，发送给接收方；接收方接收到信号后，通过偏振分束器进行偏振解复用得到辅助光和轨道角动量复用后的模式不同的信号光轨道角动量光束；辅助光通过接收方电光相位调制器实现对辅助光移相后通过接收方第二分束器将辅助光分为N束，再通过接收方第一空间光调制器~接收方第N空间光调制器转换为模式不同的辅助光轨道角动量光束；然后采用接收方第一零差探测器~接收方第N零差探测器，根据得到的辅助光轨道角动量光束，对轨道角动量复用后的模式不同的信号光轨道角动量光束进行解调，从而得到最终的发送方发送的信号光。
2.根据权利要求1所述的基于轨道角动量的连续变量量子密钥分发方法，其特征在于步骤S2所述的对信号光进行调制，具体为对信号光进行相位调制和幅度调制。
3.根据权利要求2所述的基于轨道角动量的连续变量量子密钥分发方法，其特征在于所述的对信号光进行相位调制和幅度调制，具体为通过相位及幅度调制对相干态正则分量X和P进行编码调制，使信号光服从均值为零的，方差为VA的高斯分布；VA的取值范围为0<VA<100。
4.根据权利要求1~3之一所述的基于轨道角动量的连续变量量子密钥分发方法，其特征在于步骤S3所述的发送方将调制后的信号光再次调制成模式不同的信号光轨道角动量光束，具体为发送方将调制后的信号光通过光分束器分为N束，并将每束光分别通过不同的空间光调制器形成模式不同的信号光轨道角动量光束；N为自然数且N的取值范围为-20<N<20。
5.根据权利要求4所述的基于轨道角动量的连续变量量子密钥分发方法，其特征在于步骤S5所述的接收方将得到的辅助光调制成模式不同的辅助光轨道角动量光束，具体为接收方将得到的辅助光通过光分束器分为N束，并将每束光分别通过与步骤S3中相同的空间光调制器形成模式不同的辅助光轨道角动量光束；N为自然数且N的取值范围为-20<N<20。
6.根据权利要求5所述的基于轨道角动量的连续变量量子密钥分发方法，其特征在于步骤S6所述的接收方采用步骤S5得到的模式不同的辅助光轨道角动量光束，对步骤S4接收并解复用后得到的轨道角动量复用后的模式不同的信号光轨道角动量光束进行解调，具体为接收方根据步骤S5得到的模式不同的辅助光轨道角动量光束，采用Homodyne检测器对步骤S4接收并解复用后得到的轨道角动量复用后的模式不同的信号光轨道角动量光束进行解调。
7.根据权利要求6所述的基于轨道角动量的连续变量量子密钥分发方法，其特征在于所述的采用Homodyne检测器对步骤S4接收并解复用后得到的轨道角动量复用后的模式不同的信号光轨道角动量光束进行解调，具体为对步骤S4接收并解复用后得到的轨道角动量复用后的模式不同的信号光轨道角动量光束的相位进行0度或90度调制，然后与本振光输入50:50的分束器后，再接入标定Homodyne检测器进行解调。
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