CN116599667A - 一种应用型高维度量子与经典密码融合加密终端 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种应用型高维度量子与经典密码融合加密终端，包括：融合加密发送端和融合加密接收端；融合加密发送端和融合加密接收端基于部分相互无偏基技术实现；融合加密发送端包括激光器、第一镜头、PPKTP晶体、第二镜头、二向色镜、第一偏振分束器、第一单光子雪崩探测器、第一空间光调制器、第三镜头、第四镜头、第一镜面，融合加密接收端包括第一半波片、第二偏振分束器、整体型π/2转换器、第二镜面、第三镜面、第三偏振分束器、第二半波片、第二空间光调制器、第五镜头、第六镜头、滤波器、第二单光子雪崩探测器，简化了MPUB原始协议的实验难度，双轴台控制器加速了模式转化和生成的速率，提高密钥生成率。
Description
技术领域
本发明涉及通信数据加密技术领域，尤其涉及一种应用型高维度量子与经典密码融合加密终端。
背景技术
近些年来，光场的横向模式在经典领域及量子领域都得到了广泛的研究。其中拉盖尔-高斯模式（Laguerre-Gaussianmodes，LGmodes）和厄米高斯模式（Hermite-GaussianModes，HG modes）都是亥姆霍兹方程在傍轴条件下的解，它们之间可以通过模式转换器互相转换。拉盖尔高斯光由于其带有轨道角动量（Orbital Angular Momentum，OAM）的特性，从而受到了广泛的关注。在量子信息领域中，已经有基于OAM编码实现的高维量子密钥分配系统的实现方案。
在众多被用作编码的高位自由度中，光子的轨道角动量态是最有潜力的可用于实现高维量子系统的高维量子态之一。量子数的轨道角动量态的量子数可以 张成一个无限维的希尔伯特空间，因此每个光子上可以编码多于1位的信息。作为一种光的横向模式并且光子轨道角动量在编码过程中需要使用高阶模式，因此轨道角动量主要应用于自由空间通讯。已经有许多实验实现了用轨道角动量态进行编码在自由空间中进行密钥信息的传递。但是，因为高维量子密钥系统相较二维系统，需要更复杂的态制备和测量设备。现有的OAM编码高维QKD协议的实现在现实的自由空间链路中仍然不够成熟，很难满足高速密钥传输的应用化需求。
一个重要的原因是在两个相互无偏的基矢中测量单个光子的效率较低，两个基矢为轨道角动量基矢及其互补的傅立叶共轭角基矢。因为这两个基矢中具有不同量子数的态，具有依赖其轨道角动量量子数的衍射。这种与模式有关的衍射将导致与模式有关的传播相位，类似于LG态的Gouy相位，以及在孔径有限和长距离传播的情况下与模式有关的损耗。因此在这种情况下，目前用于测量光子的技术效率较低且串扰相对较高，这导致系统更容易受到量子攻击。
因此，如何提供一种应用型高维度量子与经典密码融合加密终端，简化基矢的选择和测量过程，为应用型的加密设备提供高维度量子密钥，是业内亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种应用型高维度量子与经典密码融合加密终端，以解决现有技术无法简化基矢的选择和测量过程，为应用型的加密设备提供高维度量子密钥的问题。
本发明提供一种应用型高维度量子与经典密码融合加密终端，包括：融合加密发送端和融合加密接收端；所述融合加密发送端和融合加密接收端基于部分相互无偏基技术实现；所述融合加密发送端包括激光器、第一镜头、PPKTP晶体、第二镜头、二向色镜、第一偏振分束器、第一单光子雪崩探测器、第一空间光调制器、第三镜头、第四镜头、第一镜面；所述激光器、第一镜头、PPKTP晶体、第二镜头、二向色镜、第一偏振分束器、第一空间光调制器、第三镜头、第四镜头、第一镜面依次通过光纤连接，所述第一单光子雪崩探测器与所述第一偏振分束器通过光纤连接；所述融合加密接收端包括第一半波片、第二偏振分束器、整体型π/2转换器、第二镜面、第三镜面、第三偏振分束器、第二半波片、第二空间光调制器、第五镜头、第六镜头、滤波器、第二单光子雪崩探测器；所述第一镜面通过光纤依次与所述第一半波片、第二偏振分束器连接，所述第二偏振分束器分别通过第一路径和第二路径与所述第三偏振分束器连接，所述第一路径设置有第二镜面，所述第二路径依次设置有整体型π/2转换器和第三镜面；所述第三偏振分束器、第二半波片、第二空间光调制器、第五镜头、第六镜头、滤波器、第二单光子雪崩探测器依次通过光纤连接。
进一步地，所述融合加密发送端的光子通过不可信量子信道发送水平偏振。
进一步地，所述融合加密接收端接收到的光子态通过两个测量设置进行测量，第一个设置采用被动测量方案，通过将第二偏振分束器和第三偏振分束器设置为45度，光子仅通过所述第一路径。
进一步地，第二个设置采用紧凑测量方案，融合加密接收端随机且独立地切换，通过将第二偏振分束器和第三偏振分束器的角度都旋转到θ=0 或45度，引导光子进入两条路径。
进一步地，通过具有步进电机驱动器的双轴台控制器执行所述第二偏振分束器和第三偏振分束器的主动旋转。
进一步地，使用第二路径中的集成π/2模式转换器来实现酉变换。
进一步地，所述融合加密接收端通过第二空间光调制器和SMF来执行投影。
进一步地，所述融合加密接收端使用平坦化技术来执行广义投影测量。
本发明的有益效果如下：本发明提供的一种应用型高维度量子与经典密码融合加密终端，包括：融合加密发送端和融合加密接收端；所述融合加密发送端包括激光器、第一镜头、PPKTP晶体、第二镜头、二向色镜、第一偏振分束器、第一单光子雪崩探测器、第一空间光调制器、第三镜头、第四镜头、第一镜面，所述融合加密接收端包括第一半波片、第二偏振分束器、整体型π/2转换器、第二镜面、第三镜面、第三偏振分束器、第二半波片、第二空间光调制器、第五镜头、第六镜头、滤波器、第二单光子雪崩探测器，大幅简化了MPUB原始协议的实验难度，为集成化做了坚实的基础，双轴台控制器大幅加速了模式转化和生成的速率，提高了密钥生成率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明的应用型高维度量子与经典密码融合加密终端示意图。
图示说明：100-融合加密发送端；200-融合加密接收端；1-激光器；2-第一镜头；3-PPKTP晶体；4-第二镜头；5-二向色镜；6-第一偏振分束器；7-第一单光子雪崩探测器；8-第一空间光调制器；9-第三镜头；10-第四镜头；11-第一镜面；12-第一半波片；13-第二偏振分束器；14-整体型π/2转换器；15-第二镜面；16-第三镜面；17-第三偏振分束器；18-第二半波片；19-第二空间光调制器；20-第五镜头；21-第六镜头；22-滤波器；23-第二单光子雪崩探测器。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明具体实施例及相应的附图对本发明技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。以下结合附图，详细说明本发明各实施例提供的技术方案。
请参阅图1，本发明实施例提供一种应用型高维度量子与经典密码融合加密终端，包括：融合加密发送端100和融合加密接收端200。融合加密发送端100和融合加密接收端200基于部分相互无偏基技术实现。
本发明提出一种实用的高维QKD协议，可以克服高维QKD的实际应用问题。根据模式分解方法，相同模序的LG态和HG态可以直接表示为一个具有固定LG模式数ℓ和径向模式数p的态。LG和HG状态的选择为信息编码提供了一组自然的基矢。由于这两个基不是完全相互无偏的，将这种选择的基命名为一组部分相互无偏基（mutuallypartiallyunbiasedbases,MPUBs）。LG, HG 两种横向模式两可使用柱状透镜相互转化，基于这项原理，MPUB 中的量子态结构简单并可使用柱状透镜进行相互转换，极大的简化了基矢的选 择和测量过程。对于HDQKD的实际实现，使用MPUBs可以克服模式相关的衍射，从而实现稳定的传输。此外，这种基矢的选择简化了协议的实验实现，只需要线性光学元件则可完成态的制备和测量。因此，基于MPUB的QKD系统的重复率主要取决于声光调制器（AOM）的开关带宽，原则上可以达到GHz。通过使用π/2模式转换器，可以直接在高维中创建互补基。
其中，融合加密发送端100包括激光器1、第一镜头2、PPKTP晶体3、第二镜头4、二向色镜5、第一偏振分束器6、第一单光子雪崩探测器7、第一空间光调制器8、第三镜头9、第四镜头10、第一镜面11；激光器1、第一镜头2、PPKTP晶体3、第二镜头4、二向色镜5、第一偏振分束器6、第一空间光调制器8、第三镜头9、第四镜头10、第一镜面11依次通过光纤连接，第一单光子雪崩探测器7与第一偏振分束器6通过光纤连接。
融合加密接收端200包括第一半波片12、第二偏振分束器13、整体型π/2转换器14、第二镜面15、第三镜面16、第三偏振分束器17、第二半波片18、第二空间光调制器19、第五镜头20、第六镜头21、滤波器22、第二单光子雪崩探测器23；第一镜面11通过光纤依次与第一半波片12、第二偏振分束器13连接，第二偏振分束器13分别通过第一路径和第二路径与第三偏振分束器17连接，第一路径设置有第二镜面15，第二路径依次设置有整体型π/2转换器14和第三镜面16；第三偏振分束器17、第二半波片18、第二空间光调制器19、第五镜头20、第六镜头21、滤波器22、第二单光子雪崩探测器23依次通过光纤连接。
在本发明中，融合加密发送端100的光子通过不可信量子信道发送水平偏振。融合加密接收端200接收到的光子态通过两个测量设置进行测量，第一个设置采用被动测量方案，通过将第二偏振分束器13和第三偏振分束器17设置为45度，光子仅通过第一路径。第二个设置采用紧凑测量方案，融合加密接收端200随机且独立地切换，通过将第二偏振分束器13和第三偏振分束器17的角度都旋转到θ=0 或45度，引导光子进入两条路径。
通过具有步进电机驱动器的双轴台控制器GSC-02执行第二偏振分束器13和第三偏振分束器17的主动旋转，使用第二路径中的集成π/2模式转换器来实现酉变换，融合加密接收端200通过第二空间光调制器19和SMF来执行投影，融合加密接收端200使用平坦化技术来执行广义投影测量。
在本发明的应用型高维度量子与经典密码融合加密终端中，轨道角动量模式和径向模式都被使用，所以在融合加密接收端200的一侧需要一个模式分类器来检测LGpl态的径向和方位指数，这可以通过模式排序的最新进展来实现。本发明的协议避免了在有源器件上产生和选择光栅图案(基于MUB的QKD产生编码态的传统方法)。由于当前光学技术的局限性，作为一个应用型的集成设备，本发明的应用型高维度量子与经典密码融合加密终端的硬件设计能够以相当快的速度操纵或切换π/2转换器，可以控制转换器在两个基矢之间切换，这样融合加密发送端100和融合加密接收端200只需要一个独立的设置发生器或分束器。在这种情况下，基于MPUB的高维QKD系统的构建和操作与二维相位编码系统一样简洁，高效，可以为商用的保密设备提供高质量的高维度量子密钥。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、 “第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施方式例如能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种应用型高维度量子与经典密码融合加密终端，其特征在于，包括：融合加密发送端（100）和融合加密接收端（200）；所述融合加密发送端（100）和融合加密接收端（200）基于部分相互无偏基技术实现；
所述融合加密发送端（100）包括激光器（1）、第一镜头（2）、PPKTP晶体（3）、第二镜头（4）、二向色镜（5）、第一偏振分束器（6）、第一单光子雪崩探测器（7）、第一空间光调制器（8）、第三镜头（9）、第四镜头（10）、第一镜面（11）；所述激光器（1）、第一镜头（2）、PPKTP晶体（3）、第二镜头（4）、二向色镜（5）、第一偏振分束器（6）、第一空间光调制器（8）、第三镜头（9）、第四镜头（10）、第一镜面（11）依次通过光纤连接，所述第一单光子雪崩探测器（7）与所述第一偏振分束器（6）通过光纤连接；
所述融合加密接收端（200）包括第一半波片（12）、第二偏振分束器（13）、整体型π/2转换器（14）、第二镜面（15）、第三镜面（16）、第三偏振分束器（17）、第二半波片（18）、第二空间光调制器（19）、第五镜头（20）、第六镜头（21）、滤波器（22）、第二单光子雪崩探测器（23）；所述第一镜面（11）通过光纤依次与所述第一半波片（12）、第二偏振分束器（13）连接，所述第二偏振分束器（13）分别通过第一路径和第二路径与所述第三偏振分束器（17）连接，所述第一路径设置有第二镜面（15），所述第二路径依次设置有整体型π/2转换器（14）和第三镜面（16）；所述第三偏振分束器（17）、第二半波片（18）、第二空间光调制器（19）、第五镜头（20）、第六镜头（21）、滤波器（22）、第二单光子雪崩探测器（23）依次通过光纤连接。
2.根据权利要求1所述的一种应用型高维度量子与经典密码融合加密终端，其特征在于，所述融合加密发送端（100）的光子通过不可信量子信道发送水平偏振。
3.根据权利要求1所述的一种应用型高维度量子与经典密码融合加密终端，其特征在于，所述融合加密接收端（200）接收到的光子态通过两个测量设置进行测量，第一个设置采用被动测量方案，通过将第二偏振分束器（13）和第三偏振分束器（17）设置为45度，光子仅通过所述第一路径。
4.根据权利要求3所述的一种应用型高维度量子与经典密码融合加密终端，其特征在于，第二个设置采用紧凑测量方案，融合加密接收端（200）随机且独立地切换，通过将第二偏振分束器（13）和第三偏振分束器（17）的角度都旋转到θ=0 或45度，引导光子进入两条路径。
5.根据权利要求1所述的一种应用型高维度量子与经典密码融合加密终端，其特征在于，通过具有步进电机驱动器的双轴台控制器执行所述第二偏振分束器（13）和第三偏振分束器（17）的主动旋转。
6.根据权利要求1所述的一种应用型高维度量子与经典密码融合加密终端，其特征在于，使用第二路径中的集成π/2模式转换器来实现酉变换。
7.根据权利要求1所述的一种应用型高维度量子与经典密码融合加密终端，其特征在于，所述融合加密接收端（200）通过第二空间光调制器（19）和SMF来执行投影。
8.根据权利要求1所述的一种应用型高维度量子与经典密码融合加密终端，其特征在于，所述融合加密接收端（200）使用平坦化技术来执行广义投影测量。
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