CN113225136A - 能够实现自适应相位补偿的自由空间量子密钥分发系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种能够实现自适应相位补偿的自由空间量子密钥分发系统，包括Alice方光信号发送装置，Alice方光信号发送装置通过模拟大气湍流信道传输装置与Bob光信号接收装置连接。本发明克服了现有基于OAM的自由空间量子密钥分发时存在的模式串扰误码较高的问题。

Description

能够实现自适应相位补偿的自由空间量子密钥分发系统
技术领域
本发明属于量子信息处理技术领域，涉及一种能够实现自适应相位补偿的自由空间量子密钥分发系统。
背景技术
目前自由空间量子密钥分发系统主要以光偏振态或轨道角动量(OAM，OrbitalAngular Momentum)为信息载体，进行量子信息的编码。其中基于OAM的量子密钥分发系统通在对理论意义上无限维的模式进行编码调制，可实现高维量子通信，实现高速量子密钥分发，提升通信系统安全性，是未来新兴量子保密通信技术领域很有前景的技术方向。目前实验上实现基于OAM编码的量子密钥分发系统主要利用涡旋光束的螺旋相位来携带OAM模式信息。涡旋光束虽然在易于产生，但是其在自由空间中容易受不同密度的空气涡流介质影响，对大气湍流较为敏感，其波前易发生相位畸变继而影响接收端对OAM模式的识别。因此，需要进行波前相位补偿以降低模式串扰概率来保证OAM的模式纯度。
发明内容
本发明的目的是提供一种能够实现自适应相位补偿的自由空间量子密钥分发系统，该系统克服了现有基于OAM的自由空间量子密钥分发时存在的模式串扰误码较高的问题。
本发明所采用的技术方案是，能够实现自适应相位补偿的自由空间量子密钥分发系统，包括Alice方光信号发送装置，Alice方光信号发送装置通过模拟大气湍流信道传输装置与Bob光信号接收装置连接。
本发明的特点还在于：
Alice方光信号发送装置包括激光器，沿激光器的光路方向依次连接强度调制器I、强度调制器II、偏振分束器I、空间光调制器I及偏振分束器II，强度调制器I与空间光调制器I之间设有计算机I，计算机I还与强度调制器II连接。
模拟大气湍流信道传输装置包括空间光调制器II，空间光调制器II连接有计算机II，空间光调制器II还分别与偏振分束器II及Bob光信号接收装置连接。
Bob光信号接收装置包括空间光调制器III，空间光调制器III沿光路方向依次连接有偏振分束器III、OAM分类器，OAM分类器分别连接两个单光子探测器；偏振分束器III还依次连接感光元件、计算机III及空间光调制器III，空间光调制器III还与空间光调制器II连接。
OAM分类器包括两个光学展开器和两个光学镜头。
本发明的有益效果是，本发明利用机器学习技术通过大气湍流与高斯探测光束的相位畸变结果数据集来预先训练CNN网络，并通过计算机可直接加载空间光调制器执行OAM相位补偿反馈的安全便捷的优点，可确保攻击者不能通过补偿模块窃听得到OAM状态下的编码信息，有效地保证了基于OAM编码的量子密钥分发系统安全性。且本发明而不限于任何特定的QKD协议，还可开展后续发明工作。
附图说明
图1是本发明能够实现自适应相位补偿的自由空间量子密钥分发系统的结构示意图。
图中，1.激光器，2.强度调制器I，3.计算机I，4.偏振分束器I，5.空间光调制器I，6.空间光调制器II，7.Alice方光信号发送装置，8.模拟大气湍流信道传输装置，9.空间光调制器III，10.感光元件，11.光学展开器，12.光学镜头，13.OAM分类器，14.单光子探测器，15.Bob光信号接收装置，16.强度调制器II，17.偏振分束器II，18.计算机II，19.计算机III，20.偏振分束器III。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明能够实现自适应相位补偿的自由空间量子密钥分发系统，如图1所示，包括Alice方光信号发送装置7，Alice方光信号发送装置7通过模拟大气湍流信道传输装置8与Bob光信号接收装置15连接。Alic方光信号发送装置7包括激光器1，沿激光器1的光路方向依次连接强度调制器I2、强度调制器II16、偏振分束器I4、空间光调制器I5及偏振分束器II17，强度调制器I2与空间光调制器I5之间设有计算机I3，计算机I3还与强度调制器II16连接。模拟大气湍流信道传输装置8包括空间光调制器II6，空间光调制器II6连接有计算机II 18，空间光调制器II6还分别与偏振分束器II17及Bob光信号接收装置15连接。Bob光信号接收装置15包括空间光调制器III9，空间光调制器III9沿光路方向依次连接有偏振分束器III20、OAM分类器13，OAM分类器13连接两个单光子探测器14；偏振分束器III20还依次连接感光元件10、计算机III 19及空间光调制器III9，空间光调制器III9还与空间光调制器II6连接。OAM分类器13包括两个光学展开器11和两个光学镜头12。
本发明能够实现自适应相位补偿的自由空间量子密钥分发系统的工作原理为：用户发送方Alice光信号发送装置7说明如下：激光器1以1MHz重复频率发送工作在1550nm波段的高斯光束脉冲序列，通过强度调制器I 2衰减为弱相干光源，然后使用诱骗态量子密钥分发方案进行信号安全传输；具体来讲，计算机I 3控制强度调制器II16，将信号光脉冲调制为不同的强度以实现信号态与诱骗态模式下光信号传输，并通过对激光器1进行触发停止操作来制备真空态。之后，调制后的光束脉冲经前方的偏振分束器I4，被分成信号光脉冲和高斯探测光脉冲两个子光路，其中信号光脉冲具有沿X方向的线性极化特点，而高斯探测光脉冲具有沿Y方向的线性极化特点，因此，信号光脉冲沿偏振分束器I4的上路传输，高斯探测光脉冲沿偏振分束器I4的右路传输，此后，右路的信号脉冲经由空间光调制器I5，在计算机I3控制下随机转换为具有不同OAM模式的涡旋光束以形成随机量子比特信号，随后将涡旋光束与高斯探测光通过使用偏振分束器I 4进行合束，以同时经模拟大气湍流信道传输装置8传输至Bob光信号接收装置15。
携带量子比特的涡旋光束与高斯探测光在模拟大气湍流信道传输装置8中传输至计算机II18控制下的空间光调制器II6晶体屏表面。空间光调制器II6生成Kolmogorov模型下的大气湍流等效相位屏对信道传输中的信号进行波前相位扰动，以模拟在大气传输过程中受到的波前相位畸变影响。
Bob光信号接收装置15包括集成了用于加载CNN网络的计算机III19、空间光调制器III9和感光元件10，用于执行相位补偿。
量子信号与高斯探测光脉冲经自由空间信道同时到达空间光调制器III9后，高斯探测光脉冲经偏振分束器III20向下传输至感光元件10，其强度分布信息将作为输入参数发送至计算机III19中训练完成后的CNN网络，以生成对应的补偿相位屏灰度图，并在空间光调制器III9加载补偿相位值，来恢复携带量子比特的涡旋光相位失真。完成补偿后的携带量子比特的涡旋光信号经偏振分束器III20与高斯探测光脉冲分束，经右路至由两个光学展开器11和两个光学镜头12组成OAM分类器13进行OAM模式分类，去光束中携带不同OAM模式的光子将各自在对应的单光子探测器14上实现探测响应。响应结果为信号态|-l0>或|l0>时可以确定制备的量子态，最后通信双方根据基比对过程提取出安全密钥生成率。
本发明一种能够实现自适应相位补偿的自由空间量子密钥分发系统的特点为：利用机器学习技术通过大气湍流与高斯探测光束的相位畸变结果数据集来预先训练CNN网络，并通过计算机可直接加载空间光调制器执行OAM相位补偿反馈的安全便捷的优点，可确保攻击者不能通过补偿模块窃听得到OAM状态下的编码信息，有效地保证了基于OAM编码的量子密钥分发系统安全性。
本发明利用深度学习技术，训练卷积神经网络(CNN)模型以学习经湍流后的信标光强度变化结果和实际湍流相位分布的映射关系，并将这种映射用作反馈以控制Bob方的空间光调制器生成补偿相位屏来校正来自Alice方的用于后续承载基于OAM编码的量子涡旋光束的扭曲相位，最终实现具有实时相位校正能力的基于OAM编码的自由空间量子密钥分发。

Claims (5)

1.能够实现自适应相位补偿的自由空间量子密钥分发系统，其特征在于：包括Alice方光信号发送装置，Alice方光信号发送装置通过模拟大气湍流信道传输装置与Bob光信号接收装置连接。
2.根据权利要求1所述的能够实现自适应相位补偿的自由空间量子密钥分发系统，其特征在于：所述Alice方光信号发送装置包括激光器，沿激光器的光路方向依次连接强度调制器I、强度调制器II、偏振分束器I、空间光调制器I及偏振分束器II，强度调制器I与空间光调制器I之间设有计算机I，计算机I还与强度调制器II连接。
3.根据权利要求2所述的能够实现自适应相位补偿的自由空间量子密钥分发系统，其特征在于：所述模拟大气湍流信道传输装置包括空间光调制器II，空间光调制器II连接有计算机II，空间光调制器II还分别与偏振分束器II及Bob光信号接收装置连接。
4.根据权利要求3所述的能够实现自适应相位补偿的自由空间量子密钥分发系统，其特征在于：所述Bob光信号接收装置包括空间光调制器III，空间光调制器III沿光路方向依次连接有偏振分束器III、OAM分类器，OAM分类器分别连接单光子探测器；偏振分束器III还依次连接感光元件、计算机III及空间光调制器III，空间光调制器III还与空间光调制器II连接。
5.根据权利要求4所述的能够实现自适应相位补偿的自由空间量子密钥分发系统，其特征在于：所述OAM分类器包括两个光学展开器和两个光学镜头。
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