CN110768794A - 基于标记配对相干态和量子存储的量子密钥分配方法 - Google Patents

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CN110768794A CN201911042193.6A CN201911042193A CN110768794A CN 110768794 A CN110768794 A CN 110768794A CN 201911042193 A CN201911042193 A CN 201911042193A CN 110768794 A CN110768794 A CN 110768794A
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何业锋
杨红娟
王登
李春雨
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Abstract

本发明公开了一种基于标记配对相干态和量子存储的密钥分配方法，在标记配对相干态下，通过在两侧信道添加量子存储器，并结合轨道角动量编码以实现长距离MDI‑QKD协议。在本发明中，用标记配对相干光源代替弱相干光源，增加了单光子脉冲比例，因此提高了测量设备无关量子密钥分配的安全密钥生成率且降低了比特误码率。其次，考虑到，通信双方在信道传输中存在传输损耗会降低安全传输距离，添加量子存储器后，降低了信道传输损耗，实现了长距离安全密钥传输，且量子退相干效应对密钥生成率影响不大。最后，利用轨道角动量编码代替偏振编码，解决了量子密钥分配中基的依赖性问题，进一步提高了安全密钥生成率且降低了比特误码率。

Description

基于标记配对相干态和量子存储的量子密钥分配方法
技术领域
本发明涉及量子密钥分配方法，具体涉及一种基于标记配对相干态和量子存储的密钥分配方法。
背景技术
量子密钥分发(Quantum Key Distribution,QKD)的安全性基于量子力学基本原理，结合“一次一密”密码体制可以实现无条件安全的保密通信。因此，作为新的信息保护技术受到广泛关注。然而，建立实际的QKD系统所采用的光学和电学设备可能存在与理论要求不符的非理想特性，攻击者很容易操控非理想的光源和探测设备对QKD协议的实现过程进行攻击。例如，针对光源非理想特性的光子数分裂攻击和相位部分随机化攻击；针对探测器非理想特性的伪态攻击、时移攻击和致盲攻击等。鉴于在QKD系统中，攻击者的大多数攻击是针对探测器漏洞的攻击，Lo等人在2012年提出了测量设备无关量子密钥分发(Measurement Device Independent QKD,MDI-QKD)。在该协议中，通信双方将光脉冲发送至非可信的第三方进行Bell态测量，来提取安全密钥。由于MDI-QKD协议的测量过程在第三方进行,故能够有效地解决QKD系统中所有针对探测器漏洞的攻击，且将通信距离延长为原来的两倍。MDI-QKD协议可以使用低探测效率的光学元件和高损耗信道实现。并且，系统还可以结合诱骗态技术来规避针对非理想光源的攻击。因此，MDI-QKD研究可以使量子密钥分发更快地从理论研究进入实际应用。
C.Panayi,M.Razavi,X.F.Ma and N.Lütkenhaus在论文“Memory-assistedmeasurement-device-independent quantum key distribution”(New Journal ofPhysics，2014,16:043005)中，在协议中引入量子存储器，提出了基于弱相干光源的测量设备无关量子密钥分配协议。协议的具体步骤是：第一，Alice和Bob利用弱相干光源分别发送相干光脉冲。第二，两束相干光脉冲分别经过偏振调制器进行偏振编码。第三，在第三方进行测量前,Alice和Bob发送的脉冲信号分别送入两个量子存储器，进行光子偏振态与存储量子比特的转化。第四，第三方Charlie进行贝尔态测量(BSM)，并公布测量结果。第五，Alice和Bob根据公布的的结果进行基对比过程，可以得出安全密钥生成率公式。该协议仍存在不足之处是：(1)本协议使用的弱相干光源，该光源的单光子数分布较低而多光子数较高，因此降低了协议的安全密钥生成率。(2)该方案中Alice和Bob对光脉冲采用了偏振编码，而偏振编码后的光束均会受到基的依赖性影响。即在基的制备和测量阶段，通信双方需要实时地对参考系进行检测和调整，这会使密钥生成率受到一定的影响。因此，该协议的密钥生成率和最大传输距离仍偏低，有待进一步提高。
何业锋，李东琪，宋畅和高建国在论文“基于奇相干光源和轨道角动量的量子密钥分配协议”(中国激光，2018,45(7):0712001)中，利用轨道角动量编码代替偏振编码，提出了新的测量设备无关量子密钥分配协议。协议的具体步骤是：第一，Alice和Bob利用奇相干光源分别发送相干光脉冲。第二，两束相干光脉冲分别经过空间光调制器进行轨道角动量编码(Orbital Angular Momentum,OAM)。第三，两束相干光脉冲再分别经过强度调制器调制为3强度态，即分别对应着真空态、诱惑态和信号态。第四，当两束相干光脉冲到达第三方Charlie后，第三方Charlie进行贝尔态测量(BSM)，并公布测量结果。第五，Alice和Bob根据公布的的结果进行基对比过程，可以得出安全密钥生成率公式。该协议解决了奇相干光源下的MDI-QKD协议的基依赖问题。然该协议仍存在不足之处：在协议的实际执行中，光纤信道中的损耗会限制安全传输距离。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于标记配对相干态和量子存储的密钥分配方法，用以解决现有技术中的密钥分配方法存在的安全密钥生成率不高的问题。
为了实现上述任务，本发明采用以下技术方案：
一种基于标记配对相干态和量子存储的密钥分配方法，用于使Alice与Bob均获得共享密钥，按照以下步骤执行：
步骤1、Alice和Bob利用各自的HPCS光源分别制备纠缠光子对；Alice和Bob利用各自的偏振分束器将各自的纠缠光子对分成休闲光子和信号光子；
Alice和Bob将各自的休闲光子发送给各自的探测触发器，当Alice和Bob各自的触发探测器均探测到休闲光子后，执行步骤2；
步骤2、Alice和Bob利用各自的空间光调制器分别对步骤1中各自的信号光子进行轨道角动量编码；
所述的轨道角动量编码的规则为随机选择B1基或B2基对信号光子的轨道角动量值进行编码，其中B1＝{|l>,|-l>}，
Figure BDA0002253152360000041
l为随机整数；
当选择B1基中的|l>或|-l>进行轨道角动量编码时，对应的比特信息为“0”或“1”；当选择B2基中的
Figure BDA0002253152360000042
或进行轨道角动量编码时，对应的比特信息为“0”或“1”；
步骤3、Alice和Bob分别将步骤2中编码后的信号光子发送至各自的强度调制器中进行随机调制，调制后的信号光子为真空态、诱骗态或信号态；
步骤4、Alice和Bob分别将各自调制后的信号光子发送到Charlie端中Alice和Bob各自对应的量子存储器中进行量子态存储；
步骤5、Charlie同时读取两个量子存储器中的量子态后，对两个量子态执行贝尔态测量，并公布测量结果；
步骤6、Alice和Bob判断所述的测量结果，当测量结果为成功时，Alice和Bob执行对基选择判断双方在步骤2中轨道角动量编码是否均选择了B1基或B2基：
当Alice和Bob均选择了B1基时，Alice和Bob中的任一方将步骤2中进行轨道角动量编码时对应的比特信息进行翻转得到原始密钥，另外一方直接将步骤2中进行轨道角动量编码时对应的比特信息作为原始密钥，从而Alice与Bob均得到数据相同的原始密钥；
步骤7、Alice和Bob对所述的原始密钥进行纠错和保密性放大处理，Alice与Bob均获得共享密钥。
进一步地，所述的步骤2中当选择B1基中的|l>或B2基中的进行轨道角动量编码时，对应的比特信息为“0”；当选择B1基中|-l>或B2基中进行轨道角动量编码时，对应的比特信息为“1”。
进一步地，所述的步骤6中当Alice和Bob均选择了B2基时，Alice与Bob中的任一方将步骤2中进行轨道角动量编码时对应的比特信息进行翻转得到检测密钥，另外一方直接将步骤2中进行轨道角动量编码时对应的比特信息作为检测密钥，从而Alice与Bob得到数据相同的检测密钥。
本发明与现有技术相比具有以下技术效果：
1、本发明提供的一种基于标记配对相干态和量子存储的密钥分配方法利用标记配对相干光源代替弱相干光源，提高了测量设备无关量子密钥分配的安全密钥生成率且降低了比特误码率；
2、本发明提供的一种基于标记配对相干态和量子存储的密钥分配方法，考虑到通信双方在信道传输中存在传输损耗会降低安全传输距离，添加量子存储器后，降低了信道传输损耗，实现了长距离安全密钥传输，且量子退相干效应对密钥生成率影响不大；
3、本发明提供的一种基于标记配对相干态和量子存储的密钥分配方法利用轨道角动量编码代替偏振编码，解决了量子密钥分配中基的依赖性问题，进一步提高了安全密钥生成率且降低了比特误码率。
附图说明
图1是本发明的基于HPCS和量子存储的MDI-QKD协议的系统模式图；
图2是安全传输距离与最小退相干时间之间的关系示意图；
图3是实际相干时间和最小相干时间比值与密钥生成率的关系示意图；
图4是安全传输距离与密钥生成率的关系示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。以便本领域的技术人员更好的理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。
以下对本发明涉及的定义或概念内涵做以说明：
HPCS光源：标记配对相干态光源，Agarwal提出的配对相干态是一种两模关联相干态，在Fock基下可表示为：
式中μ是光源的信号强度，I0是第一类修正贝塞尔函数，|n>1是触发态，|n>2是信号态。
标记配对相干态是采用光子数标记技术将配对相干态的触发态|n>1发送给触发探测器，当触发探测器响应后，Alice和Bob再将信号态|n>2发送给第三方。HPCS具有亚泊松分布：
式中，
Figure BDA0002253152360000063
为触发探测器的探测效率，
Figure BDA0002253152360000064
为暗计数率。K＝A,B表示探测器位于A端或B端。
在同一光强下，WCS(弱相干光源)，HSPS(指示单光子源)和HPCS(标记配对相干态)源的光子数分布如表1所示。
表1 WCS，HSPS和HPCS的光子数分布
Figure BDA0002253152360000071
纠缠光子对：一对光子纠集在一起构成一个整体，且这对光子的状态是不能区分的。纠缠光子对中的一个光子的状态变化必然会引起另外一个光子的状态变化。利用HSPS光源制备的光子为纠缠光子对，由于纠缠光子之间的同时性，可以准确地预测另一个光子的到达时间。
信号光子、休闲光子：利用HSPS光源制备的光子为纠缠光子对，纠缠光子对中的两个光子一个称为休闲光子，另一个称为信号光子。休闲光子用来预报信号光子的到达时间，而信号光子通过编码来携带信息比特。
MDI-QKD：测量设备无关量子密钥分发。
轨道角动量编码：光束自身携带两种角动量态：自旋角动量(SAM)和轨道角动量(OAM)，它们如图1所示。其中，SAM和光束的偏振性质有关系，而OAM和光束的螺旋形相位结构有关，电子绕传播轴旋转。相位分布函数中含有exp(ilθ)，与旋转方位角θ成正比；l为光学涡旋的拓扑荷，通常为整数。20世纪90年代，Allen等人通过一系列实验，证明了光子在一定条件下具有与l相关的轨道角动量值。实验中，在近轴圆柱形的光束中的光子具有与l相关的轨道角动量值
Figure BDA0002253152360000072
研究表明，光子轨道角动量可以作为信息载体应用到量子密码通信中，并且光子轨道角动量的特点是不需要实时调整参考系。光束的偏振状态与光矢量有关系，在光子传送过程中需要实时监测，可能会产生误差，而引入轨道角动量避免了上述缺陷。
具有轨道角动量的光束产生方法有：1)通过激光谐振腔直接产生激光。由于在实验中制备激光的时候，谐振腔需要满足轴对称，因此这种方法不容易获得稳定的激光输出。2)HG转换法。首先，生成标准的HG模，再利用柱面镜使厄米高斯光束(HG)与拉盖尔高斯光束(LG)相互转化。柱面镜又分为两种，其中一种是
Figure BDA0002253152360000081
的，可以将某种条件下的HG转化为LG，一般用LG描述具有OAM的光束；另一种是π的，可以将任何模式转化成它的镜像。3)目前比较常见的制备OAM光束的方法是将高斯光通过空间光调制器，然后生成轨道角动量态，它的值为其中l是其方位角相位exp(ilθ)中的参数。信息用具有不同l值的光子表示，也就是用轨道角动量态去编码信息。
真空态：是一种不存在任何实粒子的空间状态，是一种物理现象。
诱骗态和信号态：诱骗态不是量子态的一种，只是仿照了量子态的术语。诱骗态和信号态就是使用不同的光强来存放真假密钥信息，比如说略强的光用来存放真实的密钥信息，比较弱的光用来存放诱骗信息，让真假信息混合在一起进行传播。
纠错和保密性放大处理：
1)纠错：产生初始密钥并估计误码率之后,Alice和Bob需要将双方筛后密钥中的错误处纠正过来,使二者的密钥保持一致。可以采用已有的纠错码来纠错。
2)保密性放大处理：保密放大的主要目标就是从部分安全的密钥中提取出具有更高安全性的密钥。一般采用散列函数(Hash函数)进行压缩得到。
空间光调制器：空间光调制器是一种光学设备，在本发明中能用来实现光子的轨道角动量编码。
强度调制器：强度调制器就是通过调制信号的变化规律而改变光的强度的设备。
本发明主要研究在标记配对相干态下，通过在两侧信道添加量子存储器，并结合轨道角动量编码以实现长距离MDI-QKD协议。
实施例一
在本实施例中公开了一种基于标记配对相干态和量子存储的密钥分配方法，用于使Alice与Bob均获得共享密钥。
本发明的基于HPCS和量子存储的MDI-QKD协议如图1所示。其中SLM代表空间光调制器，Decoy-IM为光强度调制器，PBS为偏振分束器，BS为分束器，Sorter为高效OAM分离装置，Da和Db分别为Alice和Bob端的触发探测器，A、B为单光子探测器。Alice和Bob是通信双方，测量第三方可不受信任。
在本发明中，Alice与Bob作为通信的两方之间具有一定的距离。
本发明按照以下步骤执行：
步骤1、Alice和Bob利用各自的HPCS光源分别制备纠缠光子对；Alice和Bob利用各自的偏振分束器将各自的纠缠光子对分成休闲光子和信号光子；
Alice和Bob将各自的休闲光子发送给各自的探测触发器，当Alice和Bob各自的触发探测器均探测到休闲光子后，执行步骤2；
在本步骤中Alice利用HPCS光源A制备纠缠光子对，Alice获得自己的纠缠光子对；同时，Bob利用HPCS光源B制备纠缠光子对，Bob获得自己的纠缠光子对；HPCS光源A与HPCS光源B的参数相同。
在本实施例中，纠缠光子对包含两个光子，一个称为休闲光子，一个称为信号光子。Alice和Bob分别将各自的休闲光子发送给触发探测器(Da或Db)。当触发探测器探测到休闲光子后，Alice和Bob再分别将各自的信号光子进行步骤2和3的编码。
在本发明中利用标记配对相干光源代替弱相干光源，提高了测量设备无关量子密钥分配的安全密钥生成率且降低了比特误码率。
步骤2、Alice和Bob利用各自的空间光调制器分别对步骤1中各自的信号光子进行轨道角动量编码；
所述的轨道角动量编码的规则为随机选择B1基或B2基对信号光子的轨道角动量值进行编码，其中B1＝{|l>,|-l>}，
Figure BDA0002253152360000101
l为随机整数；
当选择B1基中的|l>或|-l>进行轨道角动量编码时，对应的比特信息为“0”或“1”；当选择B2基中的
Figure BDA0002253152360000102
或
Figure BDA0002253152360000103
进行轨道角动量编码时，对应的比特信息为“0”或“1”；
可选地，当选择B1基中的|l>或B2基中的进行轨道角动量编码时，对应的比特信息为“0”；当选择B1基中|-l>或B2基中
Figure BDA0002253152360000111
进行轨道角动量编码时，对应的比特信息为“1”。
在本实施例中，利用轨道角动量编码代替偏振编码，解决了量子密钥分配中基的依赖性问题，进一步提高了安全密钥生成率且降低了比特误码率。
在本实施例中，Alice和Bob利用空间光调制器(SLM)对步骤1中各自制备的信号光子进行轨道角动量(OAM)编码。OAM编码规则为：Alice和Bob分别随机选择B1基或B2基中的数据对各自信号光子的轨道角动量值进行编码，其中B1＝{|l>,|-l>}，
Figure BDA0002253152360000112
且l是随机整数。并且，轨道角动量值|l>与
Figure BDA0002253152360000113
对应Alice(Bob)的比特信息为“0”，轨道角动量值|-l>与
Figure BDA0002253152360000114
对应Alice(Bob)的比特信息为“1”。
在本步骤中，Alice利用空间光调制器A随机选择B1基或B2基对Alice的信号光子进行轨道角动量编码，获得Alice编码后的光子脉冲以及Alice对应的比特信息；
同时，Bob利用空间光调制器B随机选择B1基或B2基对Bob的信号光子进行轨道角动量编码，获得Bob编码后的光子脉冲以及Bob对应的比特信息；空间光调制器A与空间光调制器B的参数完全相同。
步骤3、Alice和Bob分别将步骤2中编码后的信号光子发送至各自的强度调制器中进行随机调制，调制后的信号光子为真空态、诱骗态或信号态；
在本步骤中，Alice和Bob分别将轨道角动量(OAM)编码后的信号光子发送到各自的强度调制器(Decoy-IM)，利用强度调制器(Decoy-IM)将信号光子分别随机调制为真空态(μ0,ν0)，诱骗态(μ1,ν1)和信号态(μ2,ν2)，其中μ2>μ1>μ0＝0,ν2>ν1>ν0＝0是光脉冲强度值(即平均光子数)。
在本实施例中，Alice利用强度调制器A对Alice编码后的信号光子进行随机调制，获得Alice调制后的信号光子，调制后的信号光子为真空态、诱骗态或信号态；同时Bob利用强度调制器B对所述的Bob编码后的信号光子进行随机调制，获得Bob调制后的信号光子，Bob调制后的信号光子为真空态、诱骗态或信号态；强度调制器A与强度调制器B的参数完全相同。
步骤4、Alice和Bob分别将各自调制后的信号光子发送到Charlie端中Alice和Bob各自对应的量子存储器中进行量子态存储；
在本实施例中，考虑到，通信双方在信道传输中存在传输损耗会降低安全传输距离，添加量子存储器后，降低了信道传输损耗，实现了长距离安全密钥传输，且量子退相干效应对密钥生成率影响不大。
在本步骤中，如图1所示，Alice和Bob再将调制后的信号光子发送到第三方的量子存储器(Alice发送给图1中的量子存储器A，Bob发送给图1中的量子存储器B)，第三方的量子存储器A和量子存储器B分别对收到的信号光子进行光子轨道角动量态与存储量子比特的转化：
Figure BDA0002253152360000121
式中|l>p、|-l>p分别为轨道角动量态编码的|l>、|-l>态，|Sl>A(B)、|S-l>A(B)分别为Alice和Bob的量子存储器对应的量子比特。
步骤5、Charlie同时读取两个量子存储器中的量子态后，对两个量子态执行贝尔态测量，并公布测量结果；
在本步骤中，当量子存储器完成轨道角动量态的读写、转化后,第三方Charlie进行贝尔态测量，第三方Charlie公布贝尔态测量结果。
在本实施例中，测量结果为贝尔态|ψ+>或|ψ->，其中
Figure BDA0002253152360000131
当处于同侧的单光子探测器A和单光子探测器B同时响应时，表示投影到贝尔态|ψ+>；当异侧的单光子探测器A和单光子探测器B同时响应时，表示投影到贝尔态|ψ->。将以上响应状态记为成功事件，其余为非成功事件。非成功事件指的单光子探测器A和单光子探测器A同时响应，或单光子探测器B和单光子探测器B同时响应，这时不对应贝尔态测量结果。
步骤6、Alice和Bob判断所述的测量结果，当测量结果为成功时，Alice和Bob执行对基选择判断双方在步骤2中轨道角动量编码是否均选择了B1基或B2基：
当Alice和Bob均选择了B1基时，Alice和Bob中的任一方将步骤2中进行轨道角动量编码时对应的比特信息进行翻转得到原始密钥，另外一方直接将步骤2中进行轨道角动量编码时对应的比特信息作为原始密钥，从而Alice与Bob均得到数据相同的原始密钥KA以及原始密钥KB；
在本步骤中，Alice和Bob根据Charlie给出的成功测量结果，执行对基选择(看双方是否都是选择的B1基或B2基，并且Alice和Bob仅保留选取的基是相同的数据)。当Alice和Bob选择的基(B1基或B2基)相同时，双方之一将自己发送的信号光子所对应的比特信息进行翻转，即比特“0”转换为比特“1”(此处的比特信息是指步骤2中Alice和Bob各自发送的脉冲中光子的轨道角动量值对应的比特信息)或比特“1”转换为比特“0”，从而Alice和Bob得到数据相同的原始密钥。并且，双方选择B1基时生成的原始密钥用来产生安全密钥。
可选地，所述的步骤6中当Alice和Bob均选择了B2基时，Alice与Bob中的任一方将步骤2中进行轨道角动量编码时对应的比特信息进行翻转得到检测密钥，另外一方直接将步骤2中进行轨道角动量编码时对应的比特信息作为检测密钥，从而Alice与Bob得到数据相同的检测密钥。
在本实施例中，当Alice和Bob选择B2基时，生成的检测密钥用来检测通信中是否存在错误。
在本步骤中，Alice和Bob可以将选择B2基时步骤6生成的检测密钥串在公开信道上公开，通过对比Alice的检测密钥和Bob的检测密钥相同和不同的比特数量，来计算相应的误码率。而造成误码率的主要原因包括：光源的真空脉冲比率和多光子脉冲比率，信道的损耗，探测器的效率以及探测器的暗计数率等因素。
步骤7、Alice和Bob对所述的原始密钥进行纠错和保密性放大处理，Alice与Bob均获得共享密钥。
实施例二
在本实施例中验证本发明提供的方法的有效性。
本发明给出的MDI-QKD协议的最终密钥生成率：
Figure BDA0002253152360000151
式中H(·)为二进制香侬函数,
Figure BDA0002253152360000152
分别为Alice和Bob选取B1、B2基时的单光子误码率，1/<T>为未经筛选的原始安全密钥速率；
Figure BDA0002253152360000153
式中RS表示Alice和Bob发送的光脉冲频率，PBSM为第三方贝尔态成功测量的概率：
Figure BDA0002253152360000154
其中，P0为Alice和Bob发送的光脉冲被量子存储器存储成功的概率：
Figure BDA0002253152360000155
式中Pd为暗计数率，ηd为探测器的探测效率。ηMD为量子存储器的存储效率，ηT为经过量子信道传输后，光子未被存储的概率：
Figure BDA0002253152360000156
α为信道传输损耗，L为传输距离。
本发明只考虑信道对称的情形，可得标记配对相干态的全局单光子增益：
Figure BDA0002253152360000161
单光子误码率：
式中τ为量子存储退相干时间，W＝B1、B1分别表示B1基与B2基两种情形。即为在这两种情况下量子退相干时间趋于无穷的误码率：
Figure BDA0002253152360000164
通过在基于HPCS的MDI-QKD协议两侧信道中增加量子存储器，能够减少信道传输中的传输损耗，增加第三方进行贝尔态成功测量的概率，进一步提高安全传输距离。然而量子存储器存在量子退相干效应，当误码率过高时很难提取出安全密钥。eMAX＝0.11为最大误码率情况下，提取的安全密钥。根据已有文献可得到HPCS光源下量子退相干时间的下限
Figure BDA0002253152360000165
Figure BDA0002253152360000166
将(10)式带入(9)式，可以得到标记配对光源下，量子存储MDI-QKD协议下B1基、B2基的的单光子误码率，再将(8)式和(5)式带入(4)式可得到安全传输距离与密钥生成率的关系。仿真过程中用到的主要参数如表2所示。
表2主要模拟仿真参数
图2为安全传输距离与最小退相干时间的关系图。从图中可以看出，当安全传输距离增大时，最小退相干时间也呈现上升趋势。即要实现长距离MDI-QKD的安全传输，则需要量子存储器能长时间的保持量子态。
图3为实际退相干时间和最小退相干时间比值与密钥生成率的关系曲线。当安全传输距离为500km,随着实际退相干时间和最小退相干时间比值的增大密钥生成率也在增加。当τ≥5τmin时，密钥生成率不再发生变化，这说明改善量子存储器的存储时间也不能使密钥生成率无限增大。
图4为添加量子存储器前后安全传输距离与密钥生成率的关系曲线。从图中可以看出，密钥生成率随安全传输距离的增大而降低，但不同的是两者在安全传输距离有差异。在没有添加量子存储器时，基于HPCS的OAM-MDI-QKD协议的安全传输距离是300km；添加量子存储器之后，系统的安全传输距离可以达到500km以上。这说明，实验中可以通过添加量子存储器以实现远距离安全密钥传输。同时，当量子存储时间趋于无穷和τ＝2τmin时，两者的密钥生成率相差较小。这说明，量子的退相干效应对HPCS的OAM-MDI-QKD协议的密钥生成率影响较小。

Claims (3)

1.一种基于标记配对相干态和量子存储的密钥分配方法，用于使Alice与Bob均获得共享密钥，其特征在于，按照以下步骤执行：
步骤1、Alice和Bob利用各自的HPCS光源分别制备纠缠光子对；Alice和Bob利用各自的偏振分束器将各自的纠缠光子对分成休闲光子和信号光子；
Alice和Bob将各自的休闲光子发送给各自的探测触发器，当Alice和Bob各自的触发探测器均探测到休闲光子后，执行步骤2；
步骤2、Alice和Bob利用各自的空间光调制器分别对步骤1中各自的信号光子进行轨道角动量编码；
所述的轨道角动量编码的规则为随机选择B1基或B2基对信号光子的轨道角动量值进行编码，其中B1＝{|l>,|-l>}，
Figure FDA0002253152350000011
l为随机整数；
当选择B1基中的|l>或|-l>进行轨道角动量编码时，对应的比特信息为“0”或“1”；当选择B2基中的
Figure FDA0002253152350000012
或
Figure FDA0002253152350000013
进行轨道角动量编码时，对应的比特信息为“0”或“1”；
步骤3、Alice和Bob分别将步骤2中编码后的信号光子发送至各自的强度调制器中进行随机调制，调制后的信号光子为真空态、诱骗态或信号态；
步骤4、Alice和Bob分别将各自调制后的信号光子发送到Charlie端中Alice和Bob各自对应的量子存储器中进行量子态存储；
步骤5、Charlie同时读取两个量子存储器中的量子态后，对两个量子态执行贝尔态测量，并公布测量结果；
步骤6、Alice和Bob判断所述的测量结果，当测量结果为成功时，Alice和Bob执行对基选择判断双方在步骤2中轨道角动量编码是否均选择了B1基或B2基：
当Alice和Bob均选择了B1基时，Alice和Bob中的任一方将步骤2中进行轨道角动量编码时对应的比特信息进行翻转得到原始密钥，另外一方直接将步骤2中进行轨道角动量编码时对应的比特信息作为原始密钥，从而Alice与Bob均得到数据相同的原始密钥；
步骤7、Alice和Bob对所述的原始密钥进行纠错和保密性放大处理，Alice与Bob均获得共享密钥。
2.如权利要求1所述的基于标记配对相干态和量子存储的密钥分配方法，其特征在于，所述的步骤2中当选择B1基中的|l>或B2基中的
Figure FDA0002253152350000021
进行轨道角动量编码时，对应的比特信息为“0”；当选择B1基中|-l>或B2基中
Figure FDA0002253152350000022
进行轨道角动量编码时，对应的比特信息为“1”。
3.如权利要求1所述的基于标记配对相干态和量子存储的密钥分配方法，其特征在于，所述的步骤6中当Alice和Bob均选择了B2基时，Alice与Bob中的任一方将步骤2中进行轨道角动量编码时对应的比特信息进行翻转得到检测密钥，另外一方直接将步骤2中进行轨道角动量编码时对应的比特信息作为检测密钥，从而Alice与Bob得到数据相同的检测密钥。
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