CN111130779B - 一种实时跟踪补偿的oam纠缠调制密钥分发网络系统和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种实时跟踪补偿的OAM纠缠调制密钥分发网络系统，包括OAM‑OAM纠缠产生单元、第一和第二复用模块、OAM调制单元、Bob用户端以及符合测量单元；所述OAM‑OAM纠缠产生单元用于产生轨道角动量和轨道角动量混合纠缠量子态；所述第一和第二复用模块用于分离任意OAM态；OAM调制单元用于对轨道角动量进行相位偏转调制和加载编码信息；所述符合测量单元用于对信号光和闲置光进行符合测量解码量子比特信息。本发明提高了量子密钥分发系统的安全性，引入自适应光学系统，减小了大气湍流带来的相位畸变，保证了OAM光干涉时模式的一致性，利用M‑Z干涉仪分离任意OAM，扩展了量子编码的容量，获得了高效编码的量子密钥分发系统，工程应用型广泛，且结构简单，可扩展性强。
Description
技术领域
本发明涉及自由空间通信与量子通信网络领域，具体涉及一种实时跟踪补偿的OAM纠缠调制密钥分发网络系统和方法。
背景技术
传统密码技术的安全性依赖于数学上的计算复杂度，具有强大计算能力的计算机对破解密码具有极其重要的作用，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。量子密钥分发(Quantum Key Distribution，QKD)安全来源依赖于物理原理，而非数学问题的求解复杂度。因此，理论上再多的计算资源也无法有效地帮助窃听者来破解密钥，故QKD具有理论上的无条件安全性。简而言之，QKD的安全性来自于量子力学的两个特性：一是量子世界在本质上的真随机性；二是量子不可克隆定理。
光子可以携带两种角动量：自旋角动量(Spin Angular Momentum，SAM)和轨道角动量(Orbital Angular Momentum，OAM)。自旋角动量与偏振态相关，因此利用单光子的自旋态来编码，只能实现一个量子比特；1992年，Leidon大学的Allen等人在理论上预言了光子也可以携带另一种形式的角动量-轨道角动量。它来源于光波的螺旋相位，具有相位结构的光场，如拉盖尔-高斯光束，平均每个光子携带有/>的轨道角动量(l是任意整数)。而轨道角动量的本征态为|l>，l为OAM量子数，在理论上允许取任意整数，因此利用单光子的轨道角动量，可以实现一个高维的Hilbert空间中多位量子态编码，能够显著增大光子携带的信息容量，提高编码安全性，这在量子信息领域是非常重要的。
在量子密钥分发系统中，编码量子信息的载体有两种类型：单光子和纠缠光子对。纠缠光子对相对于单光子安全性更高，在量子密钥分发机制里，给定两个处于量子纠缠的粒子，假设通信双方各自接受到其中一个粒子，由于测量其中任意一个粒子会摧毁这对粒子的量子纠缠，任何窃听动作都会被通信双方侦测发觉。但目前的其它量子密钥分发方案并不能分离任意OAM，从而输入到所述Bob用户端的任意用户中。本发明改进和设计了可扩展的1-2N多用户OAM高维编码量子密钥分发系统。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供了一种实时跟踪补偿的OAM纠缠调制密钥分发网络系统和方法，提高了量子密钥分发系统的安全性，引入自适应光学系统，减小了大气湍流带来的相位畸变，保证了OAM光干涉时模式的一致性。利用M-Z干涉仪可以分离任意OAM，扩展了量子编码的容量，获得了高效编码的量子密钥分发系统。
本发明的技术方案是这样实现的：一种实时跟踪补偿的OAM纠缠调制密钥分发网络系统，包括Alice控制端、复用模块和Bob用户端；所述Alice控制端包括OAM-OAM纠缠产生单元、OAM调制单元、符合测量单元；所述复用模块包括第一复用模块和第二复用模块，所述OAM-OAM纠缠产生单元分别与所述第一复用模块和第二复用模块连接；所述第一复用模块、OAM调制单元和符合测量单元依次连接；所述第二复用模块、所述Bob用户端和符合测量单元依次连接；
所述OAM-OAM纠缠产生单元用于产生轨道角动量和轨道角动量混合纠缠量子态，即OAM-OAM纠缠态；
所述OAM调制单元用于对轨道角动量进行相位偏转调制和加载编码信息；
所述符合测量单元用于对信号光和闲置光进行符合测量解码量子比特信息；
所述第一复用模块和第二复用模块均用于分离任意OAM态；
所述OAM-OAM纠缠产生单元产生OAM-OAM纠缠态的信号光路与闲置光路；所述信号光路经第一全反射镜反射后进入第一复用模块进行偏振分离，然后进入OAM调制单元进行相位偏转调制和加载编码信息后，发送到符合测量单元进行测量；
所述闲置光路经第二全反射镜反射后进入第二复用模块进行偏振分离，然后经所述Bob用户端调制和加载编码信息后，发送到符合测量单元进行测量；
所述符合测量单元对单位时间内到达的相同波长的信号光子和闲置光子进行符合测量，根据符合测量结果恢复出编码的密钥并建立随机密码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。
优选地，所述OAM-OAM纠缠产生单元包括泵浦光源LD、透镜、BBO晶体、第一全反射镜和第二全反射镜，所述BBO晶体依次与透镜和泵浦光源LD连接，用于产生信号光子和闲置光子轨道角动量纠缠光子对，表示为：
其中S和I分别表示信号光子和闲置光子，m表示OAM拓扑荷。
优选地，所述第一复用模块包括第一M-Z干涉仪，所述第一M-Z干涉仪包括第一至第四1/4波片、第一和第二半波片、第一至第三偏振分束器、第一和第二达夫棱镜、第三和第四全反射镜；所述第二复用模块包括第二M-Z干涉仪，所述第二M-Z干涉仪包括第五至第八1/4波片、第三和第四半波片、第四至第六偏振分束器、第三和第四达夫棱镜，第五和第六全反射镜；从BBO晶体出来的信号光和闲置光分别通过第一全反射镜和第二全反射镜反射后进入第一复用模块和第二复用模块，入射光子均为水平偏振的“螺旋”光子，分别进入第一M-Z干涉仪和第二M-Z干涉仪，实现两个任意轨道角动量态|m1>和|m2>的分离。
具体地，所述第一复用模块在长臂和短臂置入第一达夫棱镜和第二达夫棱镜用来实现光子相位的旋转；如果第一和第二达夫棱镜的相对取向角被设置为α，那么对于轨道角动量态|m>，会在两臂之间引入的相位差exp(im2α)；|m1>光子会有β1＝m1α角度的自旋偏转，|m2>将会有β2＝m2α角度的自旋偏振；因此，两个信号光子的偏振方向将会产生夹角Δβ＝(m1-m2)α，预先设置α＝π/2(m1-m2)，则Δβ＝(m1-m2)α＝π/2，那么两个信号光子的偏振会相互垂直，接着利用第一和第二半波片来分离确定的m值；第一半波片和第二半波片可用于旋转平面偏振光的偏振状态，假设平面偏振波入射在波片上，并且偏振平面相对于快轴成角度通过第一半波片和第二半波片后，原始平面波已经旋转了角度/>半波片在将偏振平面从偏振激光器旋转到任何其他所需平面时非常方便；于是利用取向角分别为和/>第一半波片和第二半波片组合，也就是原始平面旋转了-β1。再经过第三偏振分束器，就可以方便地实现两个任意轨道角动量态|m1>和|m2>的分离，这样就可以将拓扑荷m1和m2不同的两路与两个任意Bob用户进行安全通信。
优选地，OAM调制单元包括分第一束器、第一电荷耦合元件、第一延迟器、偏振分束器、第一波前校正器、第一空间光调制器、第一单模光纤、第二分束器、第二电荷耦合元件、第二延迟器、第二波前校正器、第二空间光调制器、第二单模光纤和第七全反射镜。
优选地，所述Bob用户端包括Bobm1和Bobm2用户；Bobm1和Bobm2用户均包括第三分束器、第三电荷耦合元件、第三延迟器、第九偏振分束器、第三波前校正器、第三空间光调制器、第三单模光纤、第四分束器、第四电荷耦合元件、第四延迟器、第十偏振分束器、第四波前校正器、第四空间光调制器、第八全反射镜和第四单模光纤；所述第一波前校正器至第四波前校正器可根据相位畸变的参考信息，改变光波波前传输的光程或改变传输媒介的折射率来改变入射光波波前的相位结构，从而达到对光波波面相位进行补偿的目的；所述第一至第四电荷耦合元件用于实时监测激光脉冲的强度以及大气湍流造成的波前相位畸变，为时钟同步以及相位畸变补偿提供参考信息；第一至第四空间光调制器对拓扑荷为m的信号光和闲置光携带的OAM进行偏转相位调制，调制后的量子态的信号光和闲置光表示为：
其中，θs、θI是轨道角动量的偏转相位取向角；
所述第一至第四单模光纤用于对高斯模式信号光子和闲置光子耦合发送。
优选地，当与Bobm1用户通信时，OAM拓扑荷为m1的信号光进入第一空间光调制器，第一空间光调制器对拓扑荷为m1的信号光携带的OAM进行调制；当与Bobm2用户通信时，OAM拓扑荷为m2的信号光进入第二空间光调制器，第二空间光调制器对拓扑荷为m2的信号光携带的OAM进行相位编码调制。
优选地，所述符合测量单元包括第一至第四单光子探测器、第一和第二符合计数器，所述单光子探测器用于记录单位时间内到达的信号光子和闲置光子数并将其探测数据发送至所述符合计数器，所述符合计数器用于进行符合测量。
具体地，当Alice控制端与Bobm1用户通信时，用第一单光子探测器记录单位时间内到达的信号光子，并将记录下的探测数据发送给第一符合计数器，同时第三单光子探测器记录下单位时间内到达的闲置光子，并将记录下的探测数据发送给第一符合计数器，最后第一符合计数器根据两个单光子探测器传输来的调制信息进行符合测量并解码。当Alice控制端与Bobm2用户通信时，用第二单光子探测器记录单位时间内到达的信号光子，并将记录下的探测数据发送到第二符合计数器，时第四单光子探测器记录下单位时间内到达的闲置光子，并将记录下的探测数据发送到第二符合计数器，最后符合计数器根据两个单光子探测器传输来的调制信息进行符合测量并解码。
优选地，对拓扑荷为m的信号光和闲置光携带的OAM进行偏转相位调制；当与Bobm1用户通信时，OAM拓扑荷为m1的信号光进入第一空间光调制器，第一空间光调制器对拓扑荷为m1的信号光携带的OAM进行调制，第一空间光调制器与第一单模光纤连接，接着连接第一单光子探测器；当与Bobm2用户通信时，OAM拓扑荷为m2的信号光进入第二空间光调制器，第二空间光调制器对拓扑荷为m2的信号光携带的OAM进行相位编码调制，第二空间光调制器与第二单模光纤连接，接着连接第二单光子探测器。
优选地，所述信号光路路线：从所述BBO晶体输出的OAM纠缠态依次输入到所述第一全反射镜改变光路，经过45°的第一1/4波片，左、右旋的圆偏振分量分别转化为水平和竖直的偏振分量，被第一偏振分束器实现分离，并分别沿着第一M-Z干涉仪的两臂进行传播；其中一束信号光经过第一达夫棱镜用来实现光子相位的旋转，利用第二1/4波片来保持光子的偏振态不变，接着信号光直接传输到第二偏振分束器。另一束信号光经过第三全反射镜改变光路后经过第二达夫棱镜用来实现光子相位的旋转，利用第三1/4波片来保持光子的偏振态不变，接着信号光经过第四全反射镜改变光路到达第二偏振分束器。在第二偏振分束器处两个分量重新组合，经过-45°的第四1/4波片，恢复从圆偏振到线偏振的变化，利用取向角分别为和/>第一半波片和第二半波片组合，再经过第三偏振分束器，就可以方便地实现两个任意轨道角动量态|m1>和|m2>的分离。从第三偏振分束器出来的信号光进入OAM调制单元，最后进入到所述符合测量单元进行测量。
优选地，所述闲置光路路线：从所述BBO晶体输出的OAM纠缠态依次输入到所述第二全反射镜改变光路，经过第五1/4波片，左、右旋的圆偏振分量分别转化为水平和竖直的偏振分量，被第四偏振分束器实现分离，并分别沿着第二干涉仪的两臂进行传播。其中一束闲置光经过第三达夫棱镜用来实现光子相位的旋转，利用第六1/4波片来保持光子的偏振态不变，接着闲置光直接传输到第五偏振分束器。另一束闲置光经过第五全反射镜改变光路后经过第四达夫棱镜用来实现光子相位的旋转，利用第七1/4波片来保持光子的偏振态不变，接着闲置光经过第六全反射镜改变光路到达第五偏振分束器。在第五偏振分束器处两个分量重新组合，经过-45°的第八1/4波片，恢复从圆偏振到线偏振的变化，利用取向角分别为和/>第三半波片和第四半波片组合，再经过第六偏振分束器，就可以方便地实现两个任意轨道角动量态|m1>和|m2>的分离。从第六偏振分束器出来的闲置光进入调制单元，最后与所述信号光一起进入到所述符合测量单元进行测量。
本发明还提供一种实时跟踪补偿的OAM纠缠调制密钥分发网络系方法，该方法应用于上述任意一项所述的一种实时跟踪补偿的OAM纠缠调制密钥分发网络发系统中，该方法包括以下步骤：
S1.OAM-OAM纠缠光脉冲产生：泵浦光源LD产生泵浦激光脉冲，经过透镜进行准直与聚焦后，进入BBO晶体中，在所述BBO晶体参量下转换过程产生OAM-OAM纠缠态的信号光与闲置光并分成两光路：信号光路与闲置光路；
S2.M-Z型复用：在信号光路和闲置光路中分别利用第一M-Z干涉仪和第二M-Z干涉仪对OAM拓扑荷进行分离，发送给相应的Bob用户；
S3.拓扑荷OAM的调制：OAM调制单元根据OAM拓扑荷不同分别对信号光携带的OAM进行调制，加载编码信息，并将编码信息发送给所述符合测量单元；Bob用户端根据OAM拓扑荷值不同分别对闲置光携带的OAM进行相位编码调制，并将编码信息发送给符合测量单元；
S4.多用户密钥分配与共享：Alice控制端选取不同的合法通信用户，Alice控制端和Bob用户端分别通过单光子探测器记录单位时间内到达的相同波长信号的信号光子和闲置光子，并将记录下的数据发送到符合计数器，最后符合计数器根据信号光子和闲置光子的相位偏转调制信息将相同OAM拓扑荷的探测数据进行符合测量，对于不同波长的Bob用户，符合测量的计数值满足以下关系式：
根据符合测量结果恢复出编码的密钥并建立随机密码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。
优选地，所述S1中还包括以下步骤：
S1-1.经过准直与聚焦的脉冲垂直照射BBO晶体，BBO晶体通过参量下转换产生OAM纠缠的信号光和闲置光，其量子态为：
其中S和I分别表示信号光子和闲置光子，m表示OAM拓扑荷，|Cm|2表示产生OAM纠缠光子对的概率。
优选地，所述S2中还包括以下步骤：
S2-1.信号光复用：在信号光路中，OAM纠缠态依次输入到所述第一全反射镜改变光路，进入第一复用模块，经过45°的第一1/4波片，左、右旋的圆偏振分量分别转化为水平和竖直的偏振分量，被第一偏振分束器实现分离，在第二偏振分束器处两个分量重新组合，经过-45°的第四1/4波片，恢复从圆偏振到线偏振的变化，利用取向角分别为和/>第一半波片和第二半波片组合，再经过第三偏振分束器，就可以方便地实现两个任意轨道角动量态|m1>和|m2>的分离；其中拓扑荷为m1的OAM纠缠信号光直接进入到所述OAM调制单元中的第一空间光调制器SLM；拓扑荷为m2的OAM纠缠信号光直接进入到所述OAM调制单元中的第二空间光调制器；
S2-2.闲置光复用：在闲置光路中，OAM纠缠态依次输入到所述第二全反射镜改变光路，进入第二复用模块，进入第二分束器得到水平偏振的螺旋光子，经过第五1/4波片，左、右旋的圆偏振分量分别转化为水平和竖直的偏振分量，被第四偏振分束器实现分离，在第五偏振分束器处两个分量重新组合，经过-45°的第八1/4波片，恢复从圆偏振到线偏振的变化，利用取向角分别为和/>第三半波片和第四半波片组合，再经过第六偏振分束器，就可以方便地实现两个任意轨道角动量态|m1>和|m2>的分离。其中拓扑荷为m1的OAM纠缠信号光直接进入到所述Bob用户端中的第三空间光调制器；拓扑荷为m2的OAM纠缠信号光直接进入到所述Bob用户端中的第四空间光调制器；
S3-1.Bobm1调制：第一空间光调制器对拓扑荷为m1的信号光携带的OAM进行调制，调制后的量子态可以表示为：
第三空间光调制器对拓扑荷为m1的闲置光携带的OAM进行相位编码调制，调制后的量子态可以表示为：
S3-2.Bobm2调制：第二空间光调制器对拓扑荷为m2的信号光携带的OAM进行调制，调制后的量子态可以表示为：
第四空间光调制器对拓扑荷为m2的闲置光携带的OAM进行相位编码调制，调制后的量子态可以表示为：
S4-1.与Bobm1通信：从第一复用模块出来的携带OAM纠缠的信号光进入所述OAM调制单元，经过第一分束器将入射的脉冲激光分成强弱两路，分别为较强的上支路和较弱的下支路；上支路连接第一电荷耦合元件用于实时监测激光脉冲的强度以及大气湍流造成的波前相位畸变，为时钟同步以及相位畸变补偿提供参考信息；分离到下支路的脉冲激光先进入第一延时器，经过一定的时延后进入第七偏振分束器，第七偏振分束器将脉冲激光透射至第一波前校正器，第一波前校正器根据上支路提供的参考信息对波前相位进行畸变补偿，补偿后的脉冲激光将被反射进入第一空间光调制器，第一空间光调制器对脉冲进行轨道角动量的编码，第一空间光调制器进行OAM调制加载信息，加载信息经第一单模光纤SMF耦合发送到所述符合测量单元中的第一单光子探测器。
S4-2与Bobm2通信：从第一复用模块出来的携带OAM纠缠的信号光进入所述OAM调制单元，经过第二分束器将入射的脉冲激光分成强弱两路，分别为较强的上支路和较弱的下支路；上支路连接第二电荷耦合元件，用于实时监测激光脉冲的强度以及大气湍流造成的波前相位畸变，为时钟同步以及相位畸变补偿提供参考信息；分离到下支路的脉冲激光先进入第二延时器，经过一定的时延后进入第八偏振分束器，点偏振分束器将脉冲激光反射至第二波前校正器，第二波前校正器根据上支路提供的参考信息对波前相位进行畸变补偿，补偿后的脉冲激光将被反射进入第二空间光调制器，第二空间光调制器对脉冲进行轨道角动量的编码，第二空间光调制器进行OAM调制加载信息，加载信息经第二单模光纤SMF耦合发送到所述符合测量单元中的第二单光子探测器。
进一步地，在符合测量解码的符合测量步骤中，依据信号光子和闲置光子的相位偏转调制信息，符合测量计数值满足关系式：
在符合测量解码的比特信息的确定步骤中，所述根据符合测量结果恢复出编码的密钥的具体办法为：例如：相对符合计数值为“1”，解调编码“0”；相对符合计数值为“0.5”，解调编码“1”；相对符合计数值为“0”，解调编码“2”。建立起随机密码序列0，1，2作为密码本。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1、本发明以OAM-OAM混合纠缠光子对作为编解码的信息载体，能够在不对准基参考系的情况下进行测量设备无关量子密钥分发，提高密钥速率，并且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OAM-OAM混合纠缠光子对都可以加载多比特的编码信息量，实现了一对2N大容量的量子编解码通道；可以分离出任意轨道角动量，扩展用户1-2N。
3、本发明中M-Z型复用技术保证了各个用户之间的独立性，且同时可以基于OAM纠缠调制编解码的一对二QKD网络通信系统，能方便地实现两个任意轨道角动量态|m1>和|m2>的分离，这样就可以将拓扑荷m1和m2不同的两路与两个任意Bob用户进行安全通信。
4、可以时钟同步，进行实时监测，消除了所有检测器侧的漏洞，缓解了大气湍流影响的同时，并且有效解决了参考系对准和模式匹配的问题，用户端运用两个波前校正器和CCD组成自适应光学系统，可对大气湍流引起的相位畸变进行实时跟踪监测，估计大气湍流程度，并且实时补偿畸变相位，提高了测量设备无关量子密钥分发系统的抗干扰能力。
5、该QKD网络具有安全性好、器件简单且容易实现的优点。系统设计合理，具有良好的拓展性。并且轨道角动量态具有无限维度的特性，使得本发明具有极强的扩展能力，可方便地结合轨道角动量的复用/分离装置，提高信道容量。
附图说明
图1为本发明的一种实时跟踪补偿的OAM纠缠调制密钥分发网络系统结构示意图；
图2为本发明的一种实时跟踪补偿的OAM纠缠调制密钥分发网络系统具体装置图；
图3为本发明的基于自旋偏振轨道角动量M-Z干涉仪单元图；
图4为本发明的轨道角动量依赖的偏转示意图；
图5为本发明的一个扩展的轨道角动量级联分离网络图；
图6为本发明的一种实时跟踪补偿的OAM纠缠调制密钥分发网络方法流程示意图。
附图中的标记所对应的技术特征为：1-OAM-OAM纠缠产生单元，100-激光器，101-透镜，102-BBO晶体，103-第一全反射镜，104-第二全反射镜；2-第一复用模块，201-第一1/4波片，202-第一偏振分束器，203-第一达夫棱镜，204-第二1/4波片，205-第二偏振分束器，206-第三全反射镜，207-第二达夫棱镜，208-第三1/4波片，209-第四全反射镜，210-第四1/4波片，211-第一半波片，212-第二半波片，213-第三偏振分束器；3-第二复用模块，301-第五1/4波片，302-第四偏振分束器，303-第三达夫棱镜，304-第六1/4波片，305-第五偏振分束器，306-第五全反射镜，307-第四达夫棱镜，308-第七1/4波片，309-第六全反射镜，310-第八1/4波片，311-第三半波片，312-第四半波片，313-第六偏振分束器；4-信号光OAM调制单元，401-第一分束器，402-第一电荷耦合元件，403-第一延迟器，404-第七偏振分束器，405-第一波前校正器，406-第一空间光调制器，407-第一单模光纤，408-第二分束器，409-第二电荷耦合元件，410-第二延迟器，411-第八偏振分束器，412-第二波前校正器，413-第二空间光调制器，414-第七全反射镜，415-第二单模光纤；5-闲置光OAM调制单元，501-第三分束器，502-第三电荷耦合元件，503-第三延迟器，504-第九偏振分束器，505-第三波前校正器，506-第三空间光调制器，507-第三单模光纤，508-第四分束器，509-第四电荷耦合元件，510-第四延迟器，511-第十偏振分束器，512-第四波前校正器，513-第四空间光调制器，514-第八全反射镜，515-第四单模光纤；6-符合测量单元，601-第一单光子探测器，602-第二单光子探测器，603-第九全反射镜，604-第三单光子探测器，605-第四单光子探测器，606-第十全反射镜，607-第一符合计数器，608-第二符合计数器。
具体实施方式
以下结合附图1-6对本发明的具体实施方式作进一步说明：
参照附图1所示，一种实时跟踪补偿的OAM纠缠调制密钥分发网络系统，该系统包括Alice控制端、M-Z型复用模块、Bob用户端。所述Alice控制端包括OAM-OAM纠缠产生单元、调制单元和符合测量单元；
参照附图2所示，所述Alice控制端包括OAM-OAM纠缠产生单元1、OAM调制单元4和符合测量单元6；其中所述OAM纠缠产生单元1包括泵浦光源LD、透镜101、BBO晶体102、第一全反射镜103、第二全反射镜104；所述泵浦光源LD为激光器100。
所述OAM调制单元4包括第一分束器401、第一电荷耦合元件402、第一延迟器403、第七偏振分束器404、第一波前校正器405、第一空间光调制器406、第一单模光纤407、第二分束器408、第二电荷耦合元件409、第二延迟器410、第八偏振分束器411、第二波前校正器412、第二空间光调制器413、第七全反射镜414、第二单模光纤415；；
所述符合测量单元6包括第一单光子探测器601、第二单光子探测器602、第九全反射镜603、第三单光子探测器604、第四单光子探测器605、第十全反射镜606、第一符合计数器607、第二符合计数器608；
所述M-Z复用模块包括第一复用模块2和第二复用模块3；其中第一复用模块包括第一M-Z干涉仪，所述第一M-Z干涉仪包括第一1/4波片201、第一偏振分束器202、第一达夫棱镜203、第二1/4波片204、第二偏振分束器205、第三全反射镜206、第二达夫棱镜207、第三1/4波片208、第四全反射镜209、第四1/4波片210、第一半波片211、第二半波片212、第三偏振分束器213；
第二复用模块3包括第二M-Z干涉仪，所述第二M-Z干涉仪包括第五1/4波片301、第四偏振分束器302、第三达夫棱镜303、第六1/4波片304、第五偏振分束器305、第五全反射镜306、第四达夫棱镜307、第七1/4波片308、第六全反射镜309、第八1/4波片310、第三半波片311、第四半波片312、第六偏振分束器313；
所述OAM-OAM纠缠产生单元1用于产生携带OAM纠缠态的信号光和闲置光；所述第一复用模块2与OAM-OAM纠缠产生单元1连接，并分离不同的拓扑荷值；所述OAM调制单元4与第一复用模块2连接，根据OAM拓扑荷值不同分别对信号光携带的OAM进行相位编码调制，并将编码信息发送给符合测量单元6；所述第二复用模块3与OAM-OAM纠缠产生单元1连接，所述Bob用户端5与第二复用模块3连接，根据OAM拓扑荷值不同分别对闲置光携带的OAM进行相位编码调制，并将编码信息发送给符合测量单元6；所述透镜101用于对光束进行准直与聚焦；所述BBO晶体102用于产生OAM纠缠光子对。
所述Bob用户端5包括Bobm1和Bobm2用户，其中Bobm1和Bobm2用户均包括第三分束器501、第三电荷耦合元件502、第三延迟器503、第九偏振分束器504、第三波前校正器505、第三空间光调制器506、第三单模光纤507、第四分束器508、第四电荷耦合元件509、第四延迟器510、第十偏振分束器511、第四波前校正器512、第四空间光调制器513、第八全反射镜514和第四单模光纤515；所述Bobm1用户与第二复用模块3连接，用于对拓扑荷为m1的闲置光携带的OAM进行调制，加载编码信息，并将编码信息发送给符合测量单元6；所述Bobm2用户与第二复用模块3连接，用于对拓扑荷为m2的闲置光携带的OAM进行调制，加载编码信息，并将编码信息发送给符合测量单元6；所述符合测量单元6在OAM调制单元4和Bob用户端5之间，用于将OAM调制单元4发送的信号光和Bob用户端5发送的闲置光的相同拓扑荷的编码信息进行记录，并进行符合测量解码。
如图6所示，本发明具体工作原理如下:激光器100发射出355nm的激光经透镜101聚焦后正入射到BBO晶体102中，在入射激光的激励下，所述BBO晶体102通过自发参量下转换产生710nm的信号光子和闲置光子，产生的光子对纠缠于轨道角动量自由度，此时纠缠光子对量子态为：
方程式(1)中，S和I分别表示信号光子和闲置光子，m表示OAM拓扑荷，|Cm|2表示产生OAM纠缠光子对的概率。
从BBO晶体102出来的信号光经第一全反射镜103反射进入第一复用模块2，如图3所示，从BBO晶体102出来的入射光子均为水平偏振的“螺旋”光子，记其中水平偏振态可视为等振幅的左、右旋圆偏振光的相干叠加，即/>经过45°的第一1/4波片201，左、右旋的圆偏振分量分别转化为水平和竖直的偏振分量：
其中为1/4波片对应的Jones矩阵，/> 为左、右旋圆偏振态的矩阵表达。
水平和竖直的偏振分量被第一偏振分束器202实现分离，并分别沿着第一M-Z干涉仪的两臂进行传播。通过在长臂和短臂分别置入第一达夫棱镜203和第二达夫棱镜207来实现光子相位的旋转。如果第一达夫棱镜203和第二达夫棱镜207的相对取向角被设置为α，那么对于轨道角动量态|m>，会在两臂之间引入的相位差exp(im2α)。在第一达夫棱镜203和第二达夫棱镜207之间三次连续反射导致90°的相移，因此我们利用第二1/4波片204、208来补偿这个相移，从而保持光子的偏振态不变。由(2)式可以得到：
在第二偏振分束器205处两个偏振分量重新组合，两束光子的偏振态并未改变，但相位发生了改变。接着经过-45°第四1/4波片210，恢复从圆偏振到线偏振的变化：
其中，为λ/4波片对应的Jones矩阵。
最后得到：
方程(5)表示我们的干涉仪能模拟旋光效应来实现偏振态的旋转，而且旋转的角度正比于光子的轨道角动量，因此，可实现OAM依赖的自旋偏振操作。例如：我们需要分离两个任意的轨道角动量态|m1>和|m2>。根据方程(5)，我们得知|m1>光子将会有β1＝m1α角度的自旋偏转，|m2>将会有β2＝m2α角度的自旋偏振。因此，两个光子的偏振方向将会产生夹角Δβ＝(m1-m2)α。
如图4所示。如果预先设置α＝π/[2(m1-m2)]，则Δβ＝(m1-m2)α＝π/2，如图4所示，那么两光子的偏振会相互垂直，接着利用第一半波片211和第二半波片212来分离确定的m值。第一半波片和第二半波片可用于旋转平面偏振光的偏振状态，假设平面偏振波入射在第一半波片和第二半波片上，并且偏振平面相对于快轴成角度通过第一半波片和第二半波片后，原始平面波已经旋转了角度/>第一半波片211和第二半波片212在将偏振平面从偏振激光器旋转到任何其他所需平面时非常方便。于是利用取向角分别为/>和/>第一半波片211和第二半波片212组合，如图4所示，也就是原始平面旋转了-β1。再经过第三偏振分束器213，就可以方便地实现两个任意轨道角动量态|m1>和|m2>的分离。如图5所示，当α＝π/4时，由Δβ＝(m1-m2)α＝π/2，可以得到m1-m2＝2，得到两种结果，m值为0和2、1和3，如果要分离的是1和3，则β1＝m1α＝π/4，设立半波片211和212的取向角为φ1＝-β1/2＝-π/8、/>在偏振分束器213处就会分离为1和3的拓扑荷值，这样就可以将拓扑荷m1和m2不同的两路与两个任意Bob用户进行安全通信，形成1-2N的通信扩展用户。
从第三偏振分束器213出来的信号光进入OAM调制单元4，经过第一分束器401、第二分束器408将入射的脉冲激光分成强弱两路，分别为较强的上支路和较弱的下支路；上支路连接第一电荷耦合元件402、第二电荷耦合元件409，用于实时监测激光脉冲的强度以及大气湍流造成的波前相位畸变，为时钟同步以及相位畸变补偿提供参考信息；分离到下支路的脉冲激光先进入第一延时器403、和第二延时器410，经过一定的时延后进入第七偏振分束器404、第八411，第七偏振分束器404和第八偏振分束器411分别将脉冲激光反射或投射至第一波前校正器(WC)405、第二波前校正器(WC)412，第一波前校正器405根据上支路提供的参考信息对波前相位进行畸变补偿，补偿后的脉冲激光将被反射进第一入空间光调制器(SLM)406，第一空间光调制器406对脉冲进行轨道角动量偏转相位的编码。当与Bobm1用户通信时，OAM拓扑荷为m1的信号光进入第一空间光调制器(SLM)406，第一空间光调制器406对拓扑荷为m1的信号光携带的OAM进行相位编码调制，调制后的量子态可以表示为：
方程(6)中，θs是轨道角动量的偏转相位取向角。接着信号光经过第一单模光纤(SMF)407耦合后，第一单模光纤407向第一单光子探测器601发射基模高斯模式的量子态编码，发送给符合测量单元6中的第一单光子探测器601。
当与Bobm2用户通信时，OAM拓扑荷为m2的信号光进入第二空间光调制器(SLM)413，第二空间光调制器413对拓扑荷为m2的信号光携带的OAM进行相位编码调制，调制后的量子态可以表示为：
方程(7)中，θs是轨道角动量的偏转相位取向角，不同的θs对应着轨道角动量的相应偏转。接着信号光经第七全反射镜414反射经过第二单模光纤(SMF)415耦合后，第二单模光纤415向第二单光子探测器602发射基模高斯模式的量子态编码，通过第九全反射镜603发送给符合测量单元中的第二单光子探测器602。
从BBO晶体102出来的闲置光经全反射镜104反射进入第二复用模块3，两个任意轨道角动量态|m1>和|m2>分离后，从第六偏振分束器313出来的闲置光进入Bob用户端5，经过第三分束器501、第四508将入射的脉冲激光分成强弱两路，分别为较强的上支路和较弱的下支路；上支路连接第三电荷耦合元件502、第四电荷耦合元件509，用于实时监测激光脉冲的强度以及大气湍流造成的波前相位畸变，为时钟同步以及相位畸变补偿提供参考信息；分离到下支路的脉冲激光先进入第三延时器503、第四延时器510，经过一定的时延后进入第九偏振分束器504、第十偏振分束器511，第九偏振分束器504、第十偏振分束器511分别将脉冲激光反射至第三波前校正器(WC)505、第三波前校正器512，第三波前校正器(WC)505波前校正器根据上支路提供的参考信息对波前相位进行畸变补偿，补偿后的脉冲激光将被反射进入第三空间光调制器(SLM)506，第三空间光调制器506对脉冲进行轨道角动量偏转相位的编码，当与Bobm1用户通信时，OAM拓扑荷为m1的闲置光进入第三空间光调制器(SLM)506，第三空间光调制器506对拓扑荷为m1的闲置光携带的OAM进行相位编码调制，调制后的量子态可以表示为：
方程(8)中，θI是轨道角动量的偏转相位取向角。接着闲置光经过第三单模光纤(SMF)507耦合后，第三单模光纤507向第三单光子探测器604发射基模高斯模式的量子态编码，经过第九全反射镜603反射发送给符合测量单元6中的第三单光子探测器604。
当与Bobm2用户通信时，OAM拓扑荷为m2的闲置光进入第四空间光调制器(SLM)513，第四空间光调制器513对拓扑荷为m2的闲置光携带的OAM进行相位编码调制，调制后的量子态可以表示为：
方程(9)中，θI是轨道角动量的偏转相位取向角，不同的θI对应着轨道角动量的相应偏转。接着闲置光经第八全反射镜514反射经过第四单模光纤(SMF)515耦合后，第四单模光纤515向第四单光子探测器605发射基模高斯模式的量子态编码，经过第十全反射镜606反射发送给符合测量单元中的第四单光子探测器605。
量子比特编码：Alice控制端和Bob用户端5利用轨道角动量调制单元对信号光和闲置光的轨道角动量进行相位偏转调制，例如：Alice控制端将轨道角动量偏转取向角θs调制为π/4，Bob用户端5随机调制轨道角动量的偏转相位取向角θI调制为π/8，π/4。
Alice控制端根据通信需要选取不同的合法用户，当Alice控制端与Bobm1用户通信时，用第一单光子探测601记录单位时间内到达的信号光子，并将记录下的探测数据发送到第一符合计数器607，同时第三单光子探测器604记录下单位时间内到达的闲置光子，并将记录下的探测数据发送到第一符合计数器607，最后第一符合计数器607根据第一单光子探测器601和第三单光子探测器604传输来的调制信息进行符合测量并解码，此时两路符合概率函数为
当Alice控制端与Bobm2用户通信时，用第二单光子探测器602记录单位时间内到达的信号光子，并将记录下的探测数据发送到第二符合计数器608，同时用第四单光子探测器605记录下单位时间内到达的闲置光子，并将记录下的探测数据发送到第二符合计数器608，最后第八符合计数器608根据第二单光子探测器602和第四单光子探测器605传输来的调制信息进行符合测量并解码，此时两路符合概率函数为
密钥成码：Alice控制端根据符合测量结果恢复出编码的密钥，例如：相对符合计数值为“1”，解调编码“0”；相对符合计数值为“0.5”，解调编码“1”；相对符合计数值为“0”，解调编码“2”。建立起随机密码序列0，1，2作为密码本。由(10)(11)式可知：符合计数函数与信号光和闲置光的轨道角动量态偏转取向角的差值正比于余弦平方的关系。利用符合计数方法，Alice控制端和Bob用户端5可以进行量子密钥分发，其基本思想为：Alice一端保持调制轨道角动量态的偏转取向角度θs不变(例如可将其固定为π/4)，在Bob用户端5，实时调制轨道角动量态的偏转取向角度θI来进行信息的编码，最后，Alice由不同的相对符合计数值恢复出Bob用户端5编码的密钥。
例如，当m＝1，θs＝π/4时，则相对符合计数值为
编码比特值与相对符合计数值的关系：
如图2所示，Alice控制端仅在它的私人领域操纵信号光子的OAM状态，Bob用户端5也是一样处理闲置光的OAM状态。在这些私人领域，窃听者Eve没有机会接触到光子。当然，窃听者Eve依旧有偷听的机会，在自由空间里，Alice控制端将光子传递给Bob用户端5时。窃听者Eve拦截并测量每个闲置光，根据测量结果准备一个新的光子，然后将新的光子重新发送给Bob用户端5。然而，由于闲置光和信号光是纠缠状态，窃听者Eve攻击后保留的光子将不满足(10)(11)式。而且，Alice控制端始终拥有信号光，能够通过CHSH不等式来检测窃听者Eve的攻击行为。
S＝|E(θs,θI)-E(θs,θI')+E(θ'S,θI)+E(θ'S,θI')|≤2 (12)
这里的E(θs,θI)根据符合计数得到：
如果存在不等式，纠缠就会保留，Alice控制端能够确保信道没有攻击。根据量子纠缠理论，如果Alice控制端和Bob用户端5的纠缠光子没有受到窃听者Eve的干扰，还保持纯纠缠态，则|S|的值应该大于2，违背Bell-CHSH不等式；一旦Eve进行窃听，则S必定落在区间|S|小于等于2。因此根据Bell-CHSH不等式的违背情况可以判定窃听者Eve的窃听行为，建立高度安全的量子密钥分发系统，最后，在保证安全性的情况下，Alice控制端和Bob用户端5共享解码的密钥比特。
以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何在本申请揭露的技术范围内的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。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 (8)
1.一种实时跟踪补偿的OAM纠缠调制密钥分发网络系统，其特征在于：包括Alice控制端、复用模块和Bob用户端；所述Alice控制端包括OAM-OAM纠缠产生单元、OAM调制单元、符合测量单元；所述复用模块包括第一复用模块和第二复用模块，所述OAM-OAM纠缠产生单元分别与所述第一复用模块和第二复用模块连接；所述第一复用模块、OAM调制单元和符合测量单元依次连接；所述第二复用模块、所述Bob用户端和符合测量单元依次连接；
所述OAM-OAM纠缠产生单元用于产生轨道角动量和轨道角动量混合纠缠量子态，即OAM-OAM纠缠态；
所述OAM调制单元用于对轨道角动量进行相位偏转调制和加载编码信息；
所述符合测量单元用于对信号光和闲置光进行符合测量解码量子比特信息；
所述第一复用模块和第二复用模块用于分离任意OAM态；
所述OAM-OAM纠缠产生单元包括第一全反射镜和第二全反射镜；
所述OAM-OAM纠缠产生单元产生OAM-OAM纠缠态的信号光路与闲置光路；所述信号光路经第一全反射镜反射后进入第一复用模块进行偏振分离，然后进入OAM调制单元进行相位偏转调制和加载编码信息后，发送到符合测量单元进行测量；
所述闲置光路经第二全反射镜反射后进入第二复用模块进行偏振分离，然后经所述Bob用户端调制和加载编码信息后，发送到符合测量单元进行测量；
所述符合测量单元对单位时间内到达的相同波长的信号光子和闲置光子进行符合测量，根据符合测量结果恢复出编码的密钥并建立随机密码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；
所述第一复用模块包括第一M-Z干涉仪，所述第一M-Z干涉仪包括第一1/4波片；所述信号光路经第一全反射镜反射后进入第一复用模块，经过第一1/4波片，左、右旋的圆偏振分量分别转化为水平和竖直的偏振分量；
所述第一M-Z干涉仪还包括第二至第四1/4波片、第一和第二半波片、第一至第三偏振分束器、第一和第二达夫棱镜、第三和第四全反射镜；所述第一1/4波片、第一偏振分束器、第一达夫棱镜、第二1/4波片、第二偏振分束器、第四1/4波片、第一半波片、第二半波片、和第三偏振分束器依次连接；第三全反射镜、第二达夫棱镜、第三1/4波片和第四全反射镜依次连接；经过所述第一1/4波片的信号光路被第一偏振分束器分离成两光路，一光路发送至第三全反射镜，另一光路发送至第一达夫棱镜；所述第四全反射镜反射的光路与经过第二1/4波片的光路在第二偏振分束器处重新组合；
所述第二复用模块包括第二M-Z干涉仪，所述第二M-Z干涉仪包括第五1/4波片；所述闲置光路经第二全反射镜反射后进入第二复用模块，经过第五1/4波片，左、右旋的圆偏振分量分别转化为水平和竖直的偏振分量；
所述第二M-Z干涉仪还包括第六至第八1/4波片、第三和第四半波片、第四至第六偏振分束器、第三和第四达夫棱镜、第五和第六全反射镜；所述第五1/4波片、第四偏振分束器、第三达夫棱镜、第六1/4波片、第五偏振分束器、第八1/4波片、第三半波片、第四半波片和第六偏振分束器依次连接；第五全反射镜、第四达夫棱镜、第七1/4波片和第六全反射镜依次连接；经过所述第五1/4波片的闲置光路被第四偏振分束器分离成两光路，一光路发送至第五全反射镜，另一光路发送至第三达夫棱镜；所述第六全反射镜反射的光路与经过第六1/4波片的光路在第五偏振分束器处重新组合。
2.根据权利要求1所述的一种实时跟踪补偿的OAM纠缠调制密钥分发网络系统，其特征在于：所述OAM-OAM纠缠产生单元包括泵浦光源LD、透镜、BBO晶体，所述BBO晶体依次与透镜和泵浦光源LD连接，用于产生信号光子和闲置光子轨道角动量纠缠光子对，表示为：
其中S和I分别表示信号光子和闲置光子，m表示OAM拓扑荷。
3.根据权利要求2所述的一种实时跟踪补偿的OAM纠缠调制密钥分发网络系统，其特征在于：从BBO晶体出来的信号光和闲置光分别通过第一M-Z干涉仪和第二M-Z干涉仪来实现两个任意轨道角动量态|m1>和|m2＞的分离，入射光子均为水平偏振的“螺旋”光子。
4.根据权利要求3所述的一种实时跟踪补偿的OAM纠缠调制密钥分发网络系统，其特征在于：OAM调制单元包括第一分束器、第一电荷耦合元件、第一延迟器、第七偏振分束器、第一波前校正器、第一空间光调制器、第一单模光纤、第二分束器、第二电荷耦合元件、第二延迟器、第八偏振分束器、第二波前校正器、第二空间光调制器、第二单模光纤和第七全反射镜；
所述第一分束器、第一延迟器、第七偏振分束器、第一波前校正器和第一空间光调制器依次连接；所述第二分束器、第二延迟器、第八偏振分束器、第二波前校正器和第二空间光调制器依次连接；所述第一空间光调制器与第一单模光纤连接；所述第二空间光调制器依次与第七全反射镜、第二单模光纤连接；
所述第三偏振分束器的一输出端与第一分束器的输入端连接，第三偏振分束器的另一输出端与第二分束器的输入端连接；所述第一分束器的一输出端与第一延迟器连接，第一分束器的另一输出端与第一电荷耦合元件连接；所述第二分束器的一输出端与第二延迟器连接，第二分束器的另一输出端与第二电荷耦合元件连接。
5.根据权利要求4所述的一种实时跟踪补偿的OAM纠缠调制密钥分发网络系统，其特征在于：所述Bob用户端包括Bobm1和Bobm2用户，Bobm1和Bobm2用户均包括第三分束器、第三电荷耦合元件、第三延迟器、第九偏振分束器、第三波前校正器、第三空间光调制器、第三单模光纤、第四分束器、第四电荷耦合元件、第四延迟器、第十偏振分束器、第四波前校正器、第四空间光调制器、第八全反射镜和第四单模光纤；
所述第三分束器、第三延迟器、第九偏振分束器、第三波前校正器和第三空间光调制器依次连接；所述第四分束器、第四延迟器、第十偏振分束器、第四波前校正器和第四空间光调制器依次连接；所述第三空间光调制器与第三单模光纤连接；所述第四空间光调制器依次与第八全反射镜、第四单模光纤连接；
所述第六偏振分束器的一输出端与第三分束器的输入端连接，第六偏振分束器的另一输出端与第四分束器的输入端连接；所述第三分束器的一输出端与第三延迟器连接，第三分束器的另一输出端与第三电荷耦合元件连接；所述第四分束器的一输出端与第四延迟器连接，第四分束器的另一输出端与第四电荷耦合元件连接；
所述第一波前校正器至第四波前校正器可根据相位畸变的参考信息，改变光波波前传输的光程或改变传输媒介的折射率来改变入射光波波前的相位结构，从而达到对光波波面相位进行补偿的目的；所述第一至第四电荷耦合元件用于实时监测激光脉冲的强度以及大气湍流造成的波前相位畸变，为时钟同步以及相位畸变补偿提供参考信息；第一至第四空间光调制器对拓扑荷为m的信号光和闲置光携带的OAM进行偏转相位调制，调制后的量子态的信号光和闲置光表示为：
其中，θs、θI是轨道角动量的偏转相位取向角；
所述第一至第四单模光纤用于对高斯模式信号光子和闲置光子耦合发送。
6.根据权利要求5所述的一种实时跟踪补偿的OAM纠缠调制密钥分发网络系统，其特征在于：当Alice控制端与Bobm1用户通信时，OAM拓扑荷为m1的信号光进入第一空间光调制器，第一空间光调制器对拓扑荷为m1的信号光携带的OAM进行调制；当Alice控制端与Bobm2用户通信时，OAM拓扑荷为m2的信号光进入第二空间光调制器，第二空间光调制器对拓扑荷为m2的信号光携带的OAM进行相位编码调制。
7.根据权利要求1所述的一种实时跟踪补偿的OAM纠缠调制密钥分发网络系统，其特征在于：所述符合测量单元包括第一至第四单光子探测器、第一和第二符合计数器，所述单光子探测器用于记录单位时间内到达的信号光子和闲置光子数并将其探测数据发送至所述符合计数器，所述符合计数器用于进行符合测量。
8.一种实时跟踪补偿的OAM纠缠调制密钥分发网络方法，该方法应用于权利要求1-7任意一项所述的一种实时跟踪补偿的OAM纠缠调制密钥分发网络发系统中，该方法包括以下步骤：
S1.OAM-OAM纠缠光脉冲产生：泵浦光源LD产生泵浦激光脉冲，经过透镜进行准直与聚焦后，进入BBO晶体中，在所述BBO晶体参量下转换过程产生OAM-OAM纠缠态的信号光与闲置光并分成两光路：信号光路与闲置光路；
S2.M-Z型复用：在信号光路和闲置光路中分别利用第一M-Z干涉仪和第二M-Z干涉仪对OAM拓扑荷进行分离，发送给不同的Bob用户；
S3.拓扑荷OAM的调制：OAM调制单元根据OAM拓扑荷不同分别对信号光携带的OAM进行调制，加载编码信息，并将编码信息发送给所述符合测量单元；Bob用户端根据OAM拓扑荷值不同分别对闲置光携带的OAM进行相位编码调制，并将编码信息发送给符合测量单元；
S4.多用户密钥分配与共享：Alice控制端选取不同的合法通信用户，Alice控制端和Bob用户端分别通过单光子探测器记录单位时间内到达的相同波长信号的信号光子和闲置光子，并将记录下的数据发送到符合计数器，最后符合计数器根据信号光子和闲置光子的相位偏转调制信息将相同OAM拓扑荷的探测数据进行符合测量，对于不同波长的Bob用户，符合测量的计数值满足以下关系式：
根据符合测量结果恢复出编码的密钥并建立随机密码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。
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