CN110546915B

CN110546915B - 用于混合经典量子通信的方法和系统

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Publication number: CN110546915B
Application number: CN201880020500.8A
Authority: CN
Inventors: 安德鲁·福布斯; 宾汶努·恩达加诺; 艾萨克·纳普; 米切尔·考克斯; 卡梅洛·罗萨莱斯-古兹曼
Original assignee: University of the Witwatersrand, Johannesburg
Current assignee: University of the Witwatersrand, Johannesburg
Priority date: 2017-01-23
Filing date: 2018-01-23
Publication date: 2022-10-04
Anticipated expiration: 2038-01-23
Also published as: WO2018134799A1; EP3571805A1; CN110546915A; US20190394030A1; US11329809B2; EP3571805B1; ZA201905500B

Abstract

本发明一般地涉及用于混合经典量子通信的方法和系统。该方法包括使用量子模式集合在通信介质上发送具有特定量子态的单光子；以及使用经典模式集合在相同的通信介质上发送经典光束，其中经典和量子模式集合共同的包括不可分离的模式。所述不可分离的模式可以共同的是单光子或者经典光的两个自由度，并因此可以是一个或多个索引中的空间模式以及偏振。本发明还涉及一种相应地实现该方法的系统。

Description

用于混合经典量子通信的方法和系统

技术领域

本发明涉及用于混合经典量子通信或数据交换的方法和系统。

背景技术

信息传送是数字时代的关键挑战之一。本质上，它可以被简化为以下问题：我们在远程方之间传送和处理信息有多快和多安全？特别地，挑战是发送大量编码信息，同时防止来自窃听者的攻击。

一方面，时间编码(在时域中在0和1之间切换)允许高速传输(在吉比特(gigabits)范围中)。通过复用，可以进一步增加通信链路的容量；即在同一链路上发送多个数据流。可以复用的独立信道越多，链路的容量就越高。采用光的空间模式已经显示出通过空间多路复用在经典通信系统的数据传送方面的相当大的改进，“经典”在这里意味着相同光的许多光子。原则上，空间自由度(DoF)拥有无限数量的信道，其可以承载独立的数据流，使得光的空间模式成为实现高速长距离通信的极好候选。尽管注意力集合中在轨道角动量(OAM)上，但是应当理解，对为空间复用的目的而选择的模式类型没有限制。在此上下文中，模式指的是电场的空间分布，光是电磁波，以及可包括在波中具有某种功能的振幅、相位和偏振。

另一方面，通过密码协议的实现，保证了通信链路的安全性。与许多基于数值方法的经典加密协议不同，量子密码学仅依赖于量子粒子(特别是光子)的反直观特性。通过量子密钥分发(QKD)过程，通过量子态(典型地为二维状态)的准备和测量，在双方之间生成加密。虽然量子密码学原则上允许无条件的安全性，但是产生量子密钥的速率通常非常低。为此，具有较大字母表的量子密钥分发的实现提供了为每个光子编码更多位的可能性，同时增加了协议的安全性。

目前，这两种通信模态被视为具有独立设计标准和独立通信链路的不同实体，即，信息是单独发送的，而不是通过公共链路发送的。

因此，本发明的目的是提供一种通信系统，其允许使用相同的链路经典地和在量子中发送信息。

发明内容

根据本发明的第一方面，提供了一种用于混合经典量子通信或数据交换的方法，该方法包括：

使用量子模式集合在通信介质上发送具有特定量子态的单光子；以及

使用经典模式集合在相同的通信介质上发送经典光束，

其中所述经典模式集合和量子模式集合共同的包括不可分离的模式。

经典模式集合可包括用于经典通信的不可分离的模式，以及量子模式集合可包括用于量子通信的不可分离的模式。该方法可包括在先步骤：选择用于在通信介质上的经典通信的经典模式集合；以及选择用于在通信介质上的量子通信的量子模式集合，其中经典模式集合和量子模式集合共同的包括不可分离的模式。

不可分离的模式共同的是或基于单光子的量子态和经典光的两个自由度。如本文所述，自由度可以是偏振、一个或多个索引中的空间模式和波长。

不可分离的模式可被选择为使得所得到的将用于经典和量子通信的经典模式和量子模式是通信介质的自然模式。

经典模式集合可具有两个自由度，与量子模式集合共同的至少第一自由度，以及第二自由度。第一自由度可以是一个或多个索引中的空间模式，第二自由度可以是偏振，反之亦然。一个或多个索引中的空间模式可以是例如轨道角动量(OAM)、厄米-高斯(Hermite-Gaussian)模式等。

经典模式集合的第二自由度对于与通信介质相关联的扰动可以是不变的。在一些示例实施例中，经典模式集合可以具有与量子模式集合共同的第一自由度和第二自由度两者。

量子模式集合可以从来自于由经典模式集合的第一自由度和第二自由度跨越的希尔伯特空间的一组模式中选择，从而第一自由度形成正交模式，而组合的第一和第二自由度形成相互无偏的模式，或者反之亦然。

在一个示例实施例中，第一自由度可以是轨道角动量(OAM)，第二自由度可以是偏振。这样，经典光束可以是各种矢量涡旋光束的形式，其中有无限数量，而单光子可以通过标量(可分离)和矢量OAM(不可分离)的模式发送。然而，如本文所述，可为模式选择任何不可分离的自由度。

经典和量子模式集合的第一和第二自由度可以是一个或多个索引中的偏振和空间模式。

在一个示例实施例中，不可分离的模式可以是对于经典模式集合和量子模式集合共同的矢量模式。

该方法可包括衰减所发送的经典光束的光源，以在发送经典光束之前经由量子模式集合发送单光子，其中经典光束包括经典数据位。

该方法可包括在以预定方式经由量子模式集合发送经典数据位之前、期间和/或之后发送具有特定量子态的多个光子。

该方法可包括在通信介质上发送指示单光子的量子态的量子位以用于量子密钥分发(QKD)。

该方法可包括通过确定与通信介质相关联的信道数据以使用经典光束来表征通信介质，以及其中该方法可包括使用确定的信道数据以校正通信介质上的量子通信中的错误。

纠错可以实时进行，或者借助于在经典和量子模式集合中选择两个DoF而基本上实时进行。典型地，经典通信可以在矢量状态中完成，矢量状态允许在相同信道中的量子通信的实时纠错，这允许对应于更快的密钥传送周期的更低的误差率。

该方法可包括使用一组共同的光学器件发送经典模式和量子模式两者，该光学器件能够根据需要生成对于两个自由度共同的不可分离的模式以及和一个自由度相关联的可分离的模式。

经典模式集合可包括用于经典通信的不可分离的和/或可分离的模式，以及其中量子模式集合包括用于量子通信的不可分离的和/或可分离的模式。

该方法可包括使用能够将不可分离的模式和可分离的模式彼此区分的一组共同的检测光学器件检测经典模式和量子模式两者。

该方法可包括控制接收器结构以预定的方式检测所发送的光子。

该方法可包括将入射经典光束或单光子引导到标量和矢量处理路径，其中在标量处理路径中，该方法包括：

将入射经典光束或单光子的线性偏振转换为圆偏振；

基于几何相位，使用适当的偏振光栅将圆偏振的经典光束或单光子分为两个标量路径；以及

使用一个或多个适当的模式分类器对来自于偏振光栅的输出的标量模式进行分类，以便检测标量模式；

以及其中在矢量处理路径中，该方法包括：

使用波片、偏振分束器和基于几何相位的适当的偏振光栅中的一个或其组合，基于经典光束或单光子的偏振将经典光束或单光子分为或引导到两个路径；

使用分束器干涉两个路径；以及

使用适当的模式分类器对来自于分束器的输出的所得到的模式进行分类，以便检测矢量模式。

根据本发明的第二方面，提供了一种包括发送器结构的通信系统，其中，所述发送器结构被构造为：

使用经典模式集合在相同的通信介质上发送经典光束，其中经典和量子模式集合共同的包括不可分离的模式。

经典模式集合可包括用于经典通信的不可分离的模式，以及其中量子模式集合包括用于量子通信的不可分离的模式。

不可分离的模式可以共同的是用于量子和经典通信的量子和经典模式集合的所选模式的不可分离的自由度。

该系统可包括接收器结构，被构造为接收由发送器结构发送的单光子和经典光束，以及使用一组共同的检测光学器件检测经典模式和量子模式两者。

发送器结构可包括经典发送器，被构造为经由包括经典数据的经典光束在通信介质上发送数据。

发送器结构可被构造为在发送经典光束之前、期间和/或之后发送具有特定量子态的单光子。

发送器结构可包括用于经由相同的通信介质发送经典光束和单光子的光源。

发送器结构可被构造为衰减光源以发送单光子。

接收器结构可包括第一50％反射分束器，被构造为将入射的经典光束或单光子引导到标量和矢量处理路径。

在标量处理路径中，接收器结构可包括：

在标量处理路径中的四分之一波片，用于将入射的经典光束或单光子的线性偏振转换为圆偏振。

偏振光栅，位于四分之一波片的下游，被构造为基于几何相位将圆偏振的经典光束或单光子分为两个标量路径；以及

适当的标量模式分类器，被构造为对来自于偏振光栅的输出的标量模式进行分类。

在矢量处理路径中，接收器结构还可包括：

波片、偏振分束器和基于几何相位的适当的偏振光栅中的一个或其组合，被构造为基于几何相位将经典光束或单光子分为两个矢量路径；

分束器，被构造为截取来自偏振光栅的输出；以及

适当的模式分类器，被构造对来自于从分束器的输出的矢量模式进行分类，以便检测矢量模式。

在一个示例实施例中，向量和标量处理路径中的模式分类器可以基本上相似。特别地，模式分类器可以是将OAM映射到位置的折射光学元件。在一个示例实施例中，模式分类器可包括：

第一光学元件，被构造为根据接收的输入在笛卡尔坐标中执行共形映射；

第二光学元件，可操作以校正来自所述第一光学元件的输出的相位；以及

第三光学元件，为傅立叶变换透镜的形式，被构造为将第二光学元件的输出映射到输出位置。

附图说明

图1示出根据本发明示例实施例的混合经典量子通信系统的高级示意框图；

图2更详细地示出根据本发明的一个示例实施例的图1的混合经典量子通信系统的另一示意框图；

图3(a-d)以图形方式示出四维混合OAM偏振空间中的不同的模式；

图4(a-c)示出根据本发明示例实施例的形成接收器的部分的检测器的示意图；

图4(d)以图形方式示出在图4(a-c)的检测器处映射的输入状态的示例实施例；

图4(e)示出说明图4(a-c)的检测器的性能的实验数据的曲线图；

图5示出根据本发明示例实施例的模式分类器的示例实施例的示意图；

图6示出根据本发明示例实施例的方法的高级框图；以及

图7示出根据本发明示例实施例的方法的另一高级框图。

具体实施方式

本发明的以下描述被提供作为本发明的实现教导。相关领域的技术人员将认识到，可以对所述实施例进行许多改变，同时仍然达到本发明的有益结果。还将显而易见的是，通过选择本发明的一些特征而不利用其它特征，可以获得本发明的一些期望的益处。因此，本领域技术人员将认识到，对本发明的修改和适应是可能的，并且在某些情况下甚至是期望的，并且是本发明的一部分。因此，提供以下描述作为本发明原理的说明而不是其限制。此外，应当理解，除非另外指明，具有相同标记的各种部件的操作如果不是基本上相似的话将是相同的。

参考附图中的图1，其中根据本发明的示例实施例的例如使用光的空间模式的高级混合经典量子通信系统通常由参考数字10表示。系统10通常包括发送器结构12和间隔开的接收器结构14，其中发送器结构12被构造为通过通信介质16将数据传送到接收器结构14。通信介质16可以是结构12、14之间的通信链路，并且可以是自由空间。然而，应当理解的是，在一些示例实施例中，通信介质16可以是光纤链路、水下链路等形式。

发送器结构12被构造为执行经典数据的发送(即，经由经典光束的经典数据位的发送)和量子数据的发送(即，在相同通信介质16上的用于QKD的单光子的发送)，从而避免了对其具有单独信道的需要。同样，应当理解的是，接收器结构14被设置为以下面将更详细讨论的方式检测由结构12通过通信介质16发送的包括经典数据位的经典光束和单光子。

现在还参考附图中的图2，其中更详细地示出系统10。在一个示例实施例中，结构12可包括QKD编码器18、经典数据发送器20和适当的光源22。尽管以框图形式示出，但是本发明领域的技术人员应当理解，发送器结构12可包括一个或多个适当的光学元件或光学器件24，其被构造为生成或将要由结构12发送的数据编码成各种模式，如下面将要讨论的。

如上所述，在本说明书的上下文中，术语“模式”指的是光的空间模式。特别地，本文中的模式是指电场的空间分布，光是电磁波，并且可包括在波中具有某种功能的振幅、相位和偏振。如果偏振图案跨场是恒定的，则我们将其称为标量模式，而如果偏振图案变化，则将其称为矢量模式。类似地，幅度和相位可以跨场的截面面积(通常以坐标(x，y)表示的横向平面)上遵循某个函数F(x，y)而变化，并且该函数可用于将这样的变化分组为“模式集合”。例如，如果相位在方位角上变化，则我们可以将这种模式称为涡旋模式或轨道角动量模式。如果幅度遵循厄米-高斯函数而变化，则我们可以将该集合称为厄米-高斯模式集合等。由于经典光意味着许多光子，因此可以将它们的总和视为“光束”，并且在这种意义上，经典模式集合将表示具有特定空间分布的某一光束，例如涡旋光束或矢量光束。然而，在量子域中，没有光束，仅有单光子，以及在本文中，模式则呈现该光子的量子态的含义。

尽管未示出，应当注意的是，就此而言，发送器结构12和接收器结构14可包括被构造为控制结构12的操作的适当的电子器件、电路、驱动器、处理器等。然而，本文将不对这些进行更详细的讨论。

QKD编码器18可被构造为通过通信介质16发送或帮助发送具有特定量子态的单光子或量子位(qubit)以用于在接收器结构14处的QKD，从而保持发送的数据的安全性(即，从“Alice”到“Bob”，而没有被“Eve”窃听)。换句话说，量子通信。在一些示例实施例中，编码器18可以简单地被构造为衰减或控制光源22以接通和断开，从而发送QKD所需的单光子。该步骤可以在数据发送器20进行的经典数据通信的开始、期间和/或结束，并且可以以预定和/或随机的方式来完成。

经典数据发送器20可以是传统的经典数据发送器，其可操作用于从适当的源接收要在通信介质16上传送的数据，并将该数据提供给光源22以根据通常接受的光通信方法用于传输。

在一个示例实施例中，光源22是激光器的形式，例如850nm垂直腔表面发送激光器(VCSEL)。然而，可以使用其他合适的光源。

本领域技术人员将理解，尽管发送器结构12可以以交替方式操作编码器18和发送器20，即，发送单光子，然后在介质16上发送经典数据，但是不排除发送器12在介质16上发送QKD所需的单光子以及携带光束的经典数据，例如通过分别使用不同的波长用于所述传输。

在任何情况下，结构12还包括一个或多个适当的光学元件24，其形式为全息图、透镜、如波片的板、q板、偏振光栅、分束器和其它光学器件等中的一个或多个，可操作以便于发送器结构12以不同的模式跨介质16发送数据和单光子。特别地，结构12被构造为使用量子模式集合在通信介质16上一次发送具有特定量子态的单光子，以及使用经典模式集合在相同的通信介质16上经由经典光束发送经典数据位，其中量子模式集合和经典模式集合共同的包括不可分离的模式。

量子模式和经典模式组共同具有的不可分离的模式可以分别由单光子的量子态和经典光的两个自由度(DoF)组成。例如，从偏振、空间模式和波长中选择两个。在一个示例实施例中，可以有两个空间模式。换句话说，不可分离的模式可包括两个不能彼此分离的DoF。选择不可分离的模式，使得得到的要使用的空间模式是通信介质的自然模式。例如，通信介质是光纤或自由空间的自然模式。应当理解的是，在一个示例实施例中，向量模式对于两种介质是共同的。

应当注意，DoF可被理解为独立控制变量。

换句话说，经典模式集合具有两个自由度，与量子模式集合共同的至少第一自由度，以及第二自由度，所述第二自由度对于与通信介质相关联的扰动是不变的。然而，在一些示例实施例中，经典模式集合可具有与量子模式集合共同的第一自由度和第二自由度两者。另一方面，量子模式集合包括从一组模式中选择的模式，所述一组模式来自于由与经典模式集合相关联的第一自由度和第二自由度跨越的希尔伯特空间。特别地，选择量子模式组，使得第一自由度形成正交模式，以及组合的第一和第二自由度形成相互无偏置的模式，或者反之亦然。

为此，应当注意的是，发送器结构12可使用相同的光学器件24以编码经典模式和量子模式，包括不可分离的模式和可分离的模式。

现在转向接收器结构14，结构14可包括雪崩光电二极管26，被构造为接收由发送器结构12发送的光信号。为此，光电二极管26可被耦合到适当的偏置控制器28，该偏置控制器28被构造为操作光电二极管26以接收由发送器结构12发送的单光子，例如，通过在“盖格(Geiger)”模式中操作光电二极管26，并且以线性方式操作光电二极管26以便以传统方式接收经典光束。这样，光源22和光电二极管26可被操作工作在经典和量子通信方式下。

结构14还可包括适当的QKD解码器30和经典数据接收器32，其中，QKD解码器30被构造为确定接收的光子是否具有根据预定的传统QKD协议等的量子态。数据接收器32可以是传统的经典数据接收器的形式，其可操作以由发送器结构12接收和处理数据发送器。

还如一般所示，接收器结构14可包括适当的光学元件或光学器件34，其形式为全息图、透镜、波片、q板、偏振光栅、分束器和其他光学设备等中的一个或多个，以便于结构14检测和/或解码由发送器结构12生成并在介质16上发送的入射光子和经典光的不同的量子和经典模式。为此，光学元件34可以以互补的方式与光学元件24匹配，以便检测和/或解码量子和经典模式，其中光学元件34包括能够将不可分离的模式和可分离的模式彼此区分的一组共同的检测光学器件。

上述量子和经典模式集合允许相同的光学元件24、34用于经典和量子传输和检测，以及允许信息在相同的介质16上发送。此外，如下所述，模式集合的这种选择允许通过任何扰动介质(例如自由空间或光纤)对量子通信进行实时纠错，从而确保在如那些在长距离信道中发现的条件下的低错误率。

尽管上面参考图1和2描述了系统10的一般示例实施例，但是应当理解的是，可以以不同的方式实现本文所述的本发明，同时仍然保持经典模式集合和量子模式集合具有共同的不可分离的模式的原理。本文将更详细地讨论一个示例实施例，其中两个DoF是OAM(轨道角动量)和偏振。然而，本发明领域的技术人员将理解，作为两个DoF的OAM和偏振可以用其它DoF代替，当然假设量子和经典模式集合的其它这种DoF具有如上所述的共同的不可分离的模式，特别是不可分离的模式集合。

在任何情况下，在两个DoF是空间模式和偏振的情况下，经典光束是不同的矢量光束的形式，并且通过标量和矢量模式实现量子通信。在这点上，应当注意的是，偏振DoF先前已经在经典通信中用作偏振复用中的附加信道，并且在量子通信中用来编码量子位(qubit)。偏振DoF由形成偏振空间的基础的两个正交态来描述；这些是左圆偏振|L>和右圆偏振|R>，即H_σ＝span{|L>，|R>}。

通常，应当注意的是，空间DoF，例如由模式m₁和m₂跨越的空间，也可以用于经典和量子通信，只要模式m₁和m₂是正交的。取决于应用和/或设计考虑，模式m₁和m₂可以是厄米-高斯模式、拉盖尔-高斯(Laguerre-Gaussian)模式、OAM模式或来自具有与信道和通信系统有关的益处的集合的任何其它模式。

为了简洁，将参考模式m₁和m₂是OAM模式的示例实施例，尽管本发明领域的技术人员将理解，以下描述可适用于模式m₁和m₂是厄米-高斯模式、拉盖尔-高斯模式、OAM模式或来自具有与信道和通信系统有关的益处的集合的任何其它模式的示例实施例。

在模式m₁和m₂是OAM模式的情况下，模式可以是|l>和|-l>，即H_l＝span{|l>，|-l>}，l可以取任何整数值。因此，通过组合偏振和OAM DoF，对于有限的l值，即

描述比单独DoF的空间更大的空间是可能的。重要的是注意到，由于OAM无限大

混合偏振-OAM空间也无限大，以及原则上开放了无限维编码的可能性。在这个混合空间中，矢量模式|Ψ>_l，θ和标量模式|φ>_l，θ可以被定义如下：

其中，每个光子携带OAM的量子l

，并且θ＝[0，π]是内部模态相位。这些矢量和标量模式可以在量子和经典水平上通过用合适的波片和q板操纵光的动态或几何相位来生成，如本领域所公知的。例如，可以通过使用q板控制几何相位以耦合偏振和轨道角动量(OAM)DoF，使得

其中l′＝2q是q板的拓扑电荷。通过用四分之一或半波片和q片变换输入线性偏振高斯模式(l＝0)，有可能产生如在方程3和4中定义的任何标量或矢量模式，产生在方程3和4中的量子位状态的可分离的(标量)或不可分离的(矢量)叠加。现在有可能采用矢量和标量模式以在四个维度中实现QKD，其中四个矢量涡旋模式为

具有相应的相互无偏基(MUB)作为

其中下标s和v分别指标量和矢量模基，而D和A是对角和反对角偏振态。作为示例，图3中图示出l＝±1和l＝±10OAM子空间中的矢量和标量模式。特别地，图3示出四维混合OAM偏振空间中的模式。用于(a)l＝±1和(b)l＝±10的矢量涡旋模式，具有相互无偏的标量模式也用于(c)l＝±1和(d)l＝±10子空间。插图示出用于标量模式的方位角变化的相位分布，其中箭头表示在不同的空间位置处的偏振态。

现在还参考附图的图4，其中在图4(a)中，例如形成接收器结构14的部分，特别是光学结构34的部分的检测器的高级框图，通常由参考数字40表示。

为了完全受益于增加的状态空间，检测器40确定性地以及没有维度依赖的筛选丢失，可操作以检测上述高维空间中的所有基础元素，原则上具有单位概率。这与先前的方案和检测器不同，先前的方案和检测器使用模式滤波器作为检测器，一次一个模式地筛选空间，从而去除空间维度的所有益处。这对于量子密钥分发(QKD)是特别重要的，其中加密密钥的生成速率取决于检测效率。

应当理解的是，对于如方程1中定义的矢量模式，使用基于滤波器的方法在经典水平上使用许多光子测量矢量状态是微不足道的。然而，在单光子水平上实现相同的方法是低效的，因为检测概率受可一次测量的模式的数量的影响(使用滤波器，此时仅可测量一个模式)。

为此，检测器40包括标量分析器42和接收来自分束器46的输入的矢量分析器44，分束器46被构造为接收来自发送器结构12的入射光束。

矢量分析器44(如图4(c)中进一步所示)被构造为通过几何相位控制和多径干扰的组合以对不同的矢量模式进行分类。特别地，分析器44包括偏振光栅44.1、50:50分束器(BS)44.2和模式分类器44.3。基于几何相位，光栅44.1用作左和右圆偏振光子的分束器，产生两个路径

其中下标a和b表示偏振标记的路径。光子路径a和b在BS 44.2处被干涉，导致在BS44.2之后的以下状态：

其中下标c和d表示分束器的输出端口，以及δ是两个路径之间的动态相位差。应当注意的是，由于每个输入臂的反射次数的奇偶校验差，在BS 44.2的每个输出端口中自动地协调两个路径的偏振。此外，还应注意的是，此时，由于偏振信息包含在路径中，所以不必在光子态的表达中保持偏振Kets。通过设置δ＝π/2，方程14中的状态被简化为：

通过使c和d中的每个输出通过模式分类器44.3并使用耦合到雪崩光电二极管26的4根光纤收集合光子(尽管为了易于说明，在图1中仅示出了一根光纤)，完成测量系统。注意，为了实验和讨论的目的，仅使用4个光纤，因为考虑了固定OAM子空间的向量模式。然而，原则上，取决于模式分类器44.3的效率和使用的OAM子空间的数量，可以使用N个光纤的阵列。利用本文所述的方法，原则上，以单光子水平的单位概率检测每个矢量状态。例如，分别考虑模式|00>和|01>，其中分别地θ＝0和θ＝π，该映射使得

|00>→|Ψ′>_l，0＝i|-l>_d， (16)

|01)→|Ψ′>_l，π＝-|l>_c， (17)

其中索引c和d标记BS的输出端口。通过该路径干扰，矢量模式被映射如下：在端口d中

而在端口d中

随后，使用下面将要描述的OAM模式分类器44.3，根据它们在每个输出端口c和d中承载的OAM电荷来区分模式。这种分类的样本结果示于图4(d)中。因此，路径(c或d)和横向位置(+l或-l)的组合唯一地确定了原始矢量模式。

检测器40的标量模式分析器42(见图4(b))按照与上述矢量分析器44类似的原理工作。然而，不需要BS 44.2来解决模间相位。分析器42包括四分之一波片42.1，该四分之一波片42.1通过执行线性映射到圆形基底的酉变换，以及使标量模式通过基本上类似于光栅44.1的偏振光栅42.2来分解析通过该四分之一波片的输入光束的偏振态。

分析器42还可包括模式分类器42.3，其可以基本上类似于模式分类器44.3来分类OAM态。应当理解的是，在适用和适当的情况下，分析器42和44可以共享资源。

图4(e)中示出标量和矢量分析器42、44的实验性能的图解说明，其中以高保真度(接近一)测量来自l＝±1和l＝±10子集合的模式。

参考附图的图5，模式分类器42.3、44.3可以是折射(无损)非球面，其将OAM映射到期望相位变换的位置或任何其他表现。它们可被构造为对OAM模式执行几何变换，使得方位角相位被映射到横向相位变化，即，倾斜的波前。在一个示例实施例中，模式分类器42.3、44.3可包括第一光学元件46、第二光学元件48和傅立叶透镜49。第一光学元件46可被构造为在标准笛卡尔坐标中执行从输入平面(x；y)中的位置到输出平面(u；v)中的位置的共形映射，使得

其中d是自由形式光学器件的孔径尺寸，以及b是控制变换的光束在新坐标系的u方向上的平移的缩放因子。结果是，在通过第二相位校正光学元件48，然后通过傅立叶变换透镜49(焦距为f)之后，输入OAM(l)被映射到输出位置，随后

图5中示出环到线到点的共形映射(使用柱面透镜)。标量和矢量检测的概要示于表I中。

表I模式检测路径和模式分类器之后的点的各个位置

模式	路径	点的位置
			\|Ψ><sub>l，0</sub>	c	X<sub>l</sub>
\|Ψ><sub>l，π</sub>	d	X<sub>l</sub>
			\|Ψ><sub>-l，0</sub>	c	X<sub>-l</sub>
\|Ψ><sub>-l，π</sub>	d	X<sub>-l</sub>
			\|φ><sub>l，0</sub>	a	X<sub>l</sub>
\|φ><sub>l，π</sub>	b	X<sub>l</sub>
			\|φ><sub>-l，0</sub>	a	X<sub>-l</sub>
\|φ><sub>-l，π</sub>	b	X<sub>-l</sub>

注意，上述矢量和标量检测器工作于经典和量子、矢量和标量状态，使得它们适于在如本文所述的混合经典量子通信系统10中应用。

现在参考附图的图6和7，其中示出根据所示本发明的示例方法的高级流程图。应当注意的是，尽管参考系统10描述了示例方法，如本文所述，但是它们也可以应用于未示出的其他系统。

参考附图的图6，根据本发明的示例实施例的使用光的空间模式的混合经典量子通信方法的高级方框流程图通常由参考数字50表示。方法50通常包括在框52和54处选择用于经由经典光束和量子通信的经典和量子模式集合的步骤，其中经典和量子模式集合被选择为包括如上所述的共同的不可分离的模式或模式集合。

在发送包括经典数据位的经典光束之前，方法50包括在框56处经由发送器结构12在通信介质16上发送具有特定量子态的单光子。为此，方法50可包括衰减结构12的光源22的步骤，以便经由适当的光学器件24发送具有特定量子态的单光子。在一个示例实施例中，根据传统的QKD方法，在发送器结构12处的QKD编码器18或“爱丽斯”可以随机地确定用于将单光子传输到接收器结构14或“鲍勃”的光学器件24，并因此确定模式。应当理解的是，从被选择用于发送光子的量子模式集合中选择的量子模式决定了其量子态。

然后，方法50可包括在方框58处典型地通过使用用于发送单光子的相同光学器件24，通过发送器20以传统方式，在相同的通信介质上，使用来自经典模式集合的经典模式发送包括经典数据位的经典光束。由此可见，对于该步骤，光源22以传统的非衰减方式工作。

方法50还可包括在框59处经由接收器结构14利用能够将不可分离的模式和可分离的模式彼此区分开的一组共同的检测光学器件34来检测发送的经典模式和量子模式。因此，方法50可包括以“盖格(Geiger)”模式操作雪崩二极管26以检测光子，以及以线性模式操作雪崩二极管26以检测经典光束。应当理解的是，在检测端接收器结构14或“Bob”随机地选择在经典数据比位的检测之前、之后或期间测量入射光子。

如果两个DoF是如上所述的OAM和偏振，则检测步骤59可以以如上所述的方式通过检测器42、44来完成。

如上所述，如本文所述的模式的选择允许通过扰动介质16的量子通信的实时纠错。在这点上，应当注意的是，在如自由空间和光纤的通信介质/信道中，空间模式受到干扰(如自由空间中的湍流、光纤中的杂质、弯曲和缺陷)的不利影响，干扰引起空间模式之间的散射并降低检测光子的概率。因此，过程层析成像是获得关于一般信道的动作的知识的基本工具。在单光子水平，这种表征难以进行，尤其是在纠缠态下：在其能够被特征化之前，需要量子链路工作，但是对将其特征化将非常有助于其工作。

由于经典和量子纠缠之间的等价性，就表征信道而言，矢量模式可用于经由经典光束(包括如上所述的许多光子)的层析成像来表征量子相关性(单光子水平)。这样，可获得与用于量子通信和经典通信两者的信道相关联的信道数据。在一个示例实施例中，信道数据可包括如下所述的信道矩阵M。具有许多光子的益处是，经典光束的层析成像可以作为使用解复用数字全息图的单次拍摄测量来执行。

考虑到湍流大气的示例，考虑到在OAM自由度中纠缠的一对光子，其中一个光子通过扰动信道发送，在信道的作用下，双光子态|Ψ_in>被转换为：

其中p和p′系数是模态加权，以及

后选择给定|l|子空间的状态导致以下输出状态

|Ψ_out>＝p₀|l>|-l>+p_2l|-l>|-l>+p′_-2l|l>|l>+p′₀|-l>|-l> (22)

先前在本发明的领域中已经示出，从输入到输出状态的映射由非酉变换

表示，其中M是下面的Kraus算子：

M＝p₀|l><l|+p_2l|-l><l|+p′_-2l|l><-l|+p′₀|-l><-l| (23)

在方程23中因式分解全局相位得出：

每个系数p_k的幅度由下式给出：

其中

是双光子态的投影。

为了获得相位信息，需要以下OAM叠加状态：

以及

然后如下重建模间相位：

可以认为，信道矩阵M可以通过在用于经典和量子通信的相同通信信道(例如，湍流通信信道)中发送矢量光束而从经典纠缠光中获得。矢量光束可具有两个偏振态。例如，矢量光束可以是

的形式，其中|R>和|L>分别是右和左圆极化本征态。在通过相同信道传播后，使用方程23中的克劳斯(Kraus)算子，被投影到给定OAM子空间上的输出经典态由下式给出：

|Ψ_out>＝p₀|l>|R>+p_2l|-l>|R>+p′_-2l|l>|L>+p′₀|-l>|L> (32)

这里，p_k系数的幅度被测量如下：

定义了下面的偏振叠加状态

和

模间相位如下给出：

现在参考附图中的图7，其中根据示例实施例的方法的另一框图流程图一般由参考数字60表示。在框62处，方法60可包括通过使用上述表征方案来表征通信介质以获得信道数据，特别是信道矩阵M。

然后，方法60包括在框64处使用信道数据(矩阵M)通过实时纠错以消除由于扰动引起的误差。

例如，对于给定的湍流的实现，Kraus算子M允许下面的极性分解：

M＝U|M|＝U(λ₀|0><0|+λ₁|1><1|)， (40)

其中U是酉算子，以及λ_i是具有相应特征向量|i>的正算子

的特征值。酉算子U计算如下：U＝M|M|^-1。

补偿可使用以下形式的“共轭”过滤器来实现

使得

特征值的乘积λ₀λ₁是恢复初始状态

的概率幅度。

例如，考虑输入状态

通过特定的湍流屏幕的传播，该特定湍流屏幕产生以下输出状态：

注意，由于我们投影到特定OAM子空间上，因此概率不加1。克劳斯算子读取

我们分别用V和D表示算子

的特征向量和特征值的矩阵。正算子|M|如下计算

所述正算子|M|准许以下谱分解：

M＝0.4246|0><0|+0.6415|1><1|，

其中

酉阵U由下式给出

使得

因此，应用于校正的正共轭滤波器

使得

如上所述，M是信道数据，因此方法步骤64可包括使用M来设计或选择光学器件以形成24和/或34的部分以基于其来实现校正。应当理解的是，信道数据M是使用经典光计算的，并且用于修正量子通信的量子链路误差。将理解的是，在一些示例实施例中，系统可被构造为当错误率超过预定阈值时进行自动校正。

利用无错误的量子链路，确保了安全性，并且可以发送密钥来加密使用相同模式集合发送的经典数据。因此，本文所述的最终通信系统10是快速和安全的，具有由所使用的模式的数量确定的高位率。

应当注意的是，如上所述的实时纠错允许针对通信介质16中的动态波动的非常鲁棒的系统。本发明还允许在经典和量子传输中使用相同的制备和测量光学器件，在如本文所述的经典和量子传输中使用相同的光源，并且相同的检测器用于如本文所述的两种操作模式，从而降低系统的成本和复杂性。应当理解的是，使用具有为传统QKD算法导出的高度安全密钥的传统密码术，将保护通信链路，该QKD算法利用由所使用的模式的数量确定的高位/光子密钥率。如本文所述的系统由于其经典的面而易于对准，并且由于其量子面而易于固定。当前的经典通信系统可以容易地转换为本文所述的混合系统。

Claims

1.一种用于混合经典量子通信的方法，所述方法包括：

使用量子模式集合在通信介质上发送具有特定量子态的单光子，其中所述量子模式集合包括用于量子通信的不可分离的模式；以及

使用经典模式集合在相同的通信介质上发送经典光束，其中所述经典模式集合包括用于经典通信的不可分离的模式；以及

2.如权利要求1所述的方法，其中所述不可分离的模式共同的是单光子的量子态和经典光的两个自由度。

3.如权利要求1所述的方法，其中选择所述不可分离的模式，以使得所得到的将用于经典通信和量子通信的经典模式和量子模式是所述通信介质的自然模式。

4.如权利要求1所述的方法，其中所述经典模式集合具有两个自由度，与所述量子模式集合共同的至少第一自由度，以及第二自由度。

5.如权利要求4所述的方法，其中所述经典模式集合的所述第二自由度对于与所述通信介质相关联的扰动是不变的。

6.如权利要求4所述的方法，其中所述经典模式集合具有与所述量子模式集合共同的第一自由度和第二自由度两者。

7.如权利要求4所述的方法，其中所述量子模式集合是从一组模式中选择的，所述一组模式来自于由所述经典模式集合的所述第一自由度和第二自由度跨越的希尔伯特空间。

8.如权利要求4所述的方法，其中所述经典模式集合的所述第一自由度和第二自由度是从包括一个或多个索引中的空间模式和偏振的组中选择的。

9.如权利要求1所述的方法，其中所述方法包括衰减所发送的经典光束的光源，以在发送所述经典光束之前经由所述量子模式集合发送所述单光子，其中所述经典光束包括经典数据位。

10.如权利要求1所述的方法，其中所述方法包括在以预定方式经由所述量子模式集合发送经典数据位之前、期间和/或之后发送具有特定量子态的多个光子。

11.如权利要求1所述的方法，其中所述方法包括在通信介质上发送指示所述单光子的所述量子态的量子位以用于量子密钥分发(QKD)。

12.如权利要求1所述的方法，其中所述方法包括通过确定与通信介质相关联的信道数据以使用所述经典光束来表征所述通信介质，以及其中所述方法包括使用确定的所述信道数据以校正所述通信介质上的量子通信中的错误。

13.如权利要求2所述的方法，其中所述方法包括使用一组共同的光学器件发送所述经典模式和量子模式两者，所述光学器件能够根据需要生成对于两个自由度共同的不可分离的模式以及与一个自由度相关联的可分离的模式。

14.如权利要求1所述的方法，其中所述经典模式集合包括用于经典通信的不可分离的和/或可分离的模式，以及其中所述量子模式集合包括用于量子通信的不可分离的和/或可分离的模式。

15.如权利要求14所述的方法，其中所述方法包括使用能够将不可分离的模式和可分离的模式彼此区分的一组共同的检测光学器件检测所述经典模式和量子模式两者。

16.如权利要求1所述的方法，其中所述方法包括控制接收器结构以预定方式检测所发送的光子。

17.如权利要求16所述的方法，其中所述方法包括将入射的经典光束或单光子引导到标量处理路径和矢量处理路径，其中在所述标量处理路径中，所述方法包括：

将入射的所述经典光束或单光子的线性偏振转换为圆偏振；

基于几何相位，使用适当的偏振光栅将所述圆偏振的经典光束或单光子分为两个标量路径；以及

使用一个或多个适当的模式分类器对来自于所述偏振光栅的输出的标量模式进行分类，以检测标量模式；

以及其中在所述矢量处理路径中，所述方法包括：

使用波片、偏振分束器和基于几何相位的适当的偏振光栅中的一个或其组合，基于所述经典光束或单光子的偏振将所述经典光束或单光子分为或引导到两个路径；

使用分束器干涉所述两个路径；以及

使用适当的模式分类器对来自于所述分束器的输出的所得到的模式进行分类，以检测矢量模式。

18.一种包括发送器结构的通信系统，其中所述发送器结构被构造为：

使用经典模式集合在相同的通信介质上发送经典光束，其中所述经典模式集合包括用于经典通信的不可分离的模式；以及其中所述经典模式集合和所述量子模式集合共同的包括不可分离的模式。

19.如权利要求18所述的通信系统，其中所述不可分离的模式共同的是用于量子通信和经典通信的所述量子模式集合和经典模式集合的所选模式的不可分离的自由度。

20.如权利要求18所述的通信系统，其中所述经典模式集合包括用于经典通信的不可分离的和/或可分离的模式，以及其中所述量子模式集合包括用于量子通信的不可分离的和/或可分离的模式。

21.如权利要求20所述的通信系统，其中所述系统包括接收器结构，所述接收器结构被构造为接收由所述发送器结构发送的单光子和经典光束，以及使用一组共同的检测光学器件来检测经典模式和量子模式两者。

22.如权利要求18所述的通信系统，其中所述发送器结构包括经典发送器，所述经典发送器被构造为经由包括经典数据的经典光束在所述通信介质上发送数据。

23.如权利要求18所述的通信系统，其中所述发送器结构被构造为在发送所述经典光束之前、期间和/或之后发送所述具有特定量子态的单光子。

24.如权利要求18所述的通信系统，其中所述发送器结构包括用于经由相同的通信介质发送经典光束和单光子的光源。

25.如权利要求24所述的通信系统，其中所述发送器结构被构造为衰减所述光源以发送单光子。

26.如权利要求21所述的通信系统，其中所述接收器结构包括第一50％反射分束器，

所述第一50％反射分束器被构造为将入射的经典光束或单光子引导到标量处理路径和矢量处理路径。

27.如权利要求26所述的通信系统，其中在所述标量处理路径中，所述接收器结构包括：

在所述标量处理路径中的四分之一波片，用于将入射的经典光束或单光子的线性偏振转换为圆偏振；

偏振光栅，位于所述四分之一波片的下游，被构造为基于几何相位将所述圆偏振的经典光束或单光子分为两个标量路径；以及

适当的标量模式分类器，被构造为对来自于所述偏振光栅的输出的标量模式进行分类。

28.如权利要求26所述的通信系统，其中在所述矢量处理路径中，所述接收器结构包括：

波片、偏振分束器和基于几何相位的适当的偏振光栅中的一个或其组合，被构造为基于几何相位将所述经典光束或单光子分为两个矢量路径；

分束器，被构造为截取来自所述偏振光栅的输出；以及

适当的模式分类器，对来自于所述分束器的输出的矢量模式进行分类，以便检测矢量模式。

29.如权利要求25所述的通信系统，其中模式分类器是将模式映射到位置的折射光学元件的形式。

30.如权利要求29所述的通信系统，其中所述模式分类器包括：

第三光学元件，为傅立叶变换透镜的形式，被构造为将所述第二光学元件的输出映射到输出位置。

31.如权利要求18所述的通信系统，其中经典模式集合具有两个自由度，与所述量子模式集合共同的至少第一自由度，以及第二自由度。

32.如权利要求31所述的通信系统，其中所述经典模式集合的所述第一自由度和第二自由度是从包括一个或多个索引中的空间模式和偏振的组中选择的。