CN117749373A - 一种sam-oam纠缠的多用户qkd系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种SAM‑OAM纠缠的多用户QKD系统，包括Alice端、Bob端、SAM调制单元和测量单元；所述Bob端包括第一达曼光栅、第二达曼光栅和多个Bob用户；本发明还公开了一种SAM‑OAM纠缠的多用户QKD方法，基于所述的一种SAM‑OAM纠缠的多用户QKD系统实现。本发明公开了一种SAM‑OAM纠缠的多用户QKD系统及方法，通过Alice端产生纠缠光子对，其中信号光子传输至SAM调制单元中进行相位调制，闲置光子经过轨道角动量调制后根据轨道角动量阶数衍射进入Bob端相应的Bob用户中进行相位调制，不需要额外的光分流器或者探测系统中复杂的计算机生成全息术，结构简单、操作方便，在多用户、高维量子密码分发与量子网络中有重要应用。

Description

一种SAM-OAM纠缠的多用户QKD系统及方法

技术领域

本发明涉及量子密码与量子通信的技术领域，具体涉及一种SAM-OAM纠缠的多用户QKD系统及方法。

背景技术

量子密钥分发技术在理论上具有无条件安全性，通信的双方通过一个安全的密钥相互传递信息，并通过光纤信道或自由空间信道进行传输。近些年来，量子密钥分发技术在理论及量子通信与网络实践上都取得了较大的发展，已然步入应用推广阶段。

涡旋光束携带的信息能够在自由空间中进行传输，信道干扰极小，因此在自由空间量子密钥分发系统中具有良好的应用潜力。涡旋光束的角动量包括自旋角动量(SAM)和轨道角动量(OAM)，其中，自旋角动量是在自身旋转时所具有的角动量，它是粒子的一种内禀属性；轨道角动量是描述涡旋光束波前特征的物理量，其具有正交特性，在自由空间中不易受到干扰，可以稳定传输，能够为量子通信提供一个稳定可靠的自由度。

当光束携带轨道角动量时，其振幅函数含方位角相位其中l被称为拓扑荷数，理论上拓扑荷数可以达到无穷大。因此，轨道角动量具有正交特性，并且其拓扑荷数具有无限性，让其在多用户传输方面具有极高的应用价值。

但是，目前关于轨道角动量的应用主要是对其编码、加载传递信息，“端对端”应用模式。若要利用轨道角动量物理特性实现多用户的量子密钥分发，则需要额外的光分流器或者探测系统中复杂的计算机生成全息图技术，导致系统结构较为复杂，器件数量多、成本昂贵。

发明内容

本发明为了解决目前利用轨道角动量“端对端”应用，系统结构较为复杂的问题，提供一种SAM-OAM纠缠的多用户QKD系统及方法。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：

一种SAM-OAM纠缠的多用户QKD系统，包括Alice端、Bob端、SAM调制单元和测量单元；所述Bob端包括第一达曼光栅、第二达曼光栅和多个Bob用户；一束高斯光入射到达曼光栅后被衍射为N级，每一级都具有相同的能量；

所述Alice端产生纠缠光子对，包括信号光子和闲置光子；其中，信号光子传输至SAM调制单元中进行相位调制，调制完成后传输至测量单元；闲置光子在Alice端经过轨道角动量调制以加载特定的轨道角动量阶数后传输至第一达曼光栅，根据轨道角动量阶数衍射进入Bob端对应的Bob用户中进行相位调制，调制完成后经过第二达曼光栅传输至测量单元；由测量单元对信号光子和闲置光子测量解码，Alice端和相应的Bob用户根据测量解码的结果生成量子密钥。

优选的，所述Alice端包括激光光源、衰减器、BBO晶体、Q-Plate、第一准直器和凸透镜；

所述激光光源发出的激光信号经过衰减器后得到单一偏振的弱光信号，弱光信号经过BBO晶体进行参量下转换，形成信号光子和闲置光子；其中，信号光子传输至SAM调制单元进行相位调制；闲置光子经过Q-Plate进行轨道角动量调制，从而加载特定的轨道角动量阶数，之后依次经过第一准直器、凸透镜传输至Bob端。

优选的，所述Bob用户包括第二准直器、空间光调制器和第三准直器；

进入Bob用户的闲置光子经过第二准直器准直后进入空间光调制器中进行相位调制，相位调制后的闲置光子经过第三准直器准直后输出。

优选的，所述Bob端还包括第四准直器；

第二达曼光栅输出的闲置光子经过第四准直器进行准直后传输至测量单元。

优选的，所述第一达曼光栅和第二达曼光栅对称设置。

优选的，所述SAM调制单元包括半波片和偏振分束器；

所述半波片的一端与BBO晶体的输出端连接，所述半波片的另一端与偏振分束器的输入端连接，偏振分束器的输出端与测量单元的输入端连接。

优选的，所述测量单元包括第一单光子探测器、符合计数器和第二单光子探测器；

所述偏振分束器的输出端与第一单光子探测器的输入端连接，第一单光子探测器的输出端与符合计数器的一端连接，符合计数器的另一端与第二单光子探测器的输出端连接，第二单光子探测器的输入端与Bob端的输出端连接。

优选的，信号光子通过单模光纤传输至SAM调制单元，闲置光子通过单模光纤传输至测量单元。

优选的，所述Bob端的每一个Bob用户仅允许携带某一特定轨道角动量拓扑荷数的光子通过。

一种SAM-OAM纠缠的多用户QKD方法，基于所述的一种SAM-OAM纠缠的多用户QKD系统实现，包括以下步骤：

S1：激光光源发出的激光信号经过BBO晶体进行参量下转换，形成信号光子和闲置光子；

S2：信号光子传输至SAM调制单元进行相位调制；

闲置光子经过Q-Plate进行轨道角动量调制，从而加载特定的轨道角动量阶数，并经第一达曼光栅根据轨道角动量阶数衍射进入Bob端相应的Bob用户中进行相位调制；

S3：由测量单元分别对相位调制后的信号光子和闲置光子进行测量解码；

S4：由Alice端和相应的Bob用户根据测量解码的结果生成量子密钥。

本发明有益的技术效果：

本发明提供了一种SAM-OAM纠缠的多用户QKD系统及方法，通过Alice端产生纠缠光子对，其中信号光子传输至SAM调制单元中进行相位调制，闲置光子经过轨道角动量调制后根据轨道角动量阶数衍射进入Bob端相应的Bob用户中进行相位调制，不需要额外的光分流器或者探测系统中复杂的计算机生成全息术，结构简单、操作方便。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明中Alice端的结构示意图；

图3为本发明中Bob端的结构示意图；

图4为本发明中SAM调制单元的结构示意图；

图5为本发明中测量单元的结构示意图；

图6为本发明的技术方案实施步骤流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例对本发明进行进一步详细说明，但本发明要求保护的范围并不局限于下述具体实施例。

实施例1

如图1所示，一种SAM-OAM纠缠的多用户QKD系统，包括Alice端、Bob端、SAM调制单元和测量单元；所述Bob端包括第一达曼光栅DG1、第二达曼光栅DG2和多个Bob用户；一束高斯光入射到达曼光栅后被衍射为N级，每一级都具有相同的能量；

所述Alice端产生纠缠光子对，包括信号光子和闲置光子；信号光子和闲置光子携带不同的自旋角动量；其中，信号光子传输至SAM调制单元中进行相位调制，调制完成后传输至测量单元；闲置光子在Alice端经过轨道角动量调制以加载特定的轨道角动量阶数后传输至第一达曼光栅DG1，根据轨道角动量阶数衍射进入Bob端对应的Bob用户中进行相位调制，调制完成后经过第二达曼光栅DG2传输至测量单元；由测量单元对信号光子和闲置光子测量解码，Alice端和相应的Bob用户根据测量解码的结果生成量子密钥。

更具体的，如图2所示，所述Alice端包括依次连接的激光光源laser、衰减器ATT、BBO晶体、Q-Plate、第一准直器COL1和凸透镜LENS；

所述激光光源laser发出的激光信号经过衰减器ATT后得到单一偏振的弱光信号，信号衰减是为了达到单光子水平的弱信号，保证通信的安全性；弱光信号经过BBO晶体进行参量下转换，形成信号光子和闲置光子；其中信号光子携带自旋角动量闲置光子携带自旋角动量/>表示为：

其中，A和B分别表示信号光子和闲置光子，|L>表示左旋圆偏振态并携带的SAM，|R>表示右旋圆偏振态并携带/>的SAM；

信号光子传输至SAM调制单元进行相位调制；闲置光子经过Q-Plate进行轨道角动量调制，从而加载特定的轨道角动量阶数；Q-Plate将闲置光子的SAM转换为OAM，Q-Plate产生的轨道角动量复用数对应Bob端的N个用户数，可随用户数的扩展而增加；

此处对传输至Bob1用户的光子编码轨道角动量拓扑荷数为l＝1，表示为：

对传输至Bob2用户的光子编码轨道角动量拓扑荷数为l＝2，表示为：

对传输至Bobn用户的光子编码轨道角动量拓扑荷数为l＝n，表示为：

之后闲置光子进入自由空间(实际中也可通过单模光纤传输)，依次经过第一准直器COL1、凸透镜LENS传输至Bob端。

此时系统(以Bob1、Bob2、Bobn为例)的SAM-OAM纠缠态可以表示为：

更具体的，所述Bob端的每一个Bob用户仅允许携带某一特定轨道角动量拓扑荷数的光子通过。

更具体的，如图3所示，所述Bob端还包括第四准直器COL4；

第二达曼光栅DG2输出的闲置光子经过第四准直器COL4进行准直后传输至测量单元。

更具体的，所述第一达曼光栅DG1和第二达曼光栅DG2对称设置。

在具体实施过程中，第一达曼光栅DG1、第二达曼光栅DG2对不同的轨道角动量具有不同的衍射角，从而实现不同轨道角动量的分离，同理，可实现不同轨道角动量光束的复用，第一达曼光栅DG1、第二达曼光栅DG2对称设置，可实现不同轨道角动量光束的复用和解复用；Bob用户数量可根据第一达曼光栅DG1、第二达曼光栅DG2的衍射级次扩展，对应连接准直器和单模光纤SWF。随着用户端的不断增加，轨道角动量复用网络也对应不断扩展。达曼光栅可检测的轨道角动量可选用一维、二维或三维结构的阵列式，随用户数的扩展而增加，其原理如下：

利用传统涡旋光栅的涡旋相位作为主体辅以达曼结构构成一维情况下涡旋达曼光栅，这里给出了涡旋达曼光栅相位分布：

其中E_nx表示第n级衍射级次能量相对于总能量的归一化能量，l_x表示x方向涡旋达曼光栅携带的拓扑荷间隔，θ为空间相位角，光栅周期T决定衍射角的大小，n_x表示x方向上的衍射级次。根据上述公式，一束高斯光入射到达曼光栅后被衍射为N级，每一级都具有相同的能量。

当一束携带拓扑荷l_in的入射光照射在涡旋达曼光栅上时，由于涡旋相位的作用，这束OAM光束被调制为：

得复振幅分布：

此时的各个衍射级次的复振幅携带的拓扑荷阶次完全由n_xl_x项决定，由于该项是一个与衍射级数n_x相关的项，因此不同阶次的OAM光束分别进入不同衍射级上。达曼光栅的N个级次中衍射能量等分。这就解决了传统光栅中高级次弱信号的探测问题，因而，轨道角动量信道探测的动态范围通过达曼光栅得到提高。入射同轴OV光束携带大量轨道角动量信道能够通过单个达曼光栅平行解复用，不需要额外的光分流器或者探测系统中复杂的计算机生成全息术。

更具体的，所述Bob用户包括依次连接的第二准直器COL2、空间光调制器SLM和第三准直器COL3；

进入Bob用户的闲置光子经过第二准直器COL2准直后进入空间光调制器SLM中进行相位调制，其中，

Bob1用户中光子经相位偏转调制后可表示为：

Bob2用户中光子经相位偏转调制后可表示为：

Bobn用户中光子经相位偏转调制后可表示为：

其中β_n为相位角，相位调制后的闲置光子经过第三准直器COL3准直后输出。

更具体的，如图4所示，所述SAM调制单元包括半波片HWP和偏振分束器PBS；

所述半波片HWP的一端与BBO晶体的输出端连接，所述半波片HWP的另一端与偏振分束器PBS的输入端连接，偏振分束器PBS的输出端与测量单元的输入端连接。

在具体实施过程中，设置半波片HWP取向角为α为变量，信号光子调制后量子态可表示为：/>

更具体的，如图5所示，所述测量单元包括第一单光子探测器PD1、符合计数器CC和第二单光子探测器PD2；

所述偏振分束器PBS的输出端与第一单光子探测器PD1的输入端连接，第一单光子探测器PD1的输出端与符合计数器CC的一端连接，符合计数器CC的另一端与第二单光子探测器PD2的输出端连接，第二单光子探测器PD2的输入端与Bob端的输出端连接。

更具体的，信号光子通过单模光纤SWF传输至SAM调制单元，闲置光子通过单模光纤SWF传输至测量单元。

在具体实施过程中，闲置光子经过单模光纤SWF将轨道角动量转换为基模高斯模式。信号光子和闲置光子进入测量单元中相应的单光子探测器中进行探测，对于不同的用户来说，当符合测量数值满足关系式P(α,β_n)∝cos²(β_n-α)，根据符合测量结果恢复出编码的密钥并建立随机秘密的序列作为原始密码。

实施例2

如图6所示，一种SAM-OAM纠缠的多用户QKD方法，基于所述的一种SAM-OAM纠缠的多用户QKD系统实现，包括以下步骤：

S1：激光光源laser发出的激光信号经过BBO晶体进行参量下转换，形成信号光子和闲置光子；

S2：信号光子传输至SAM调制单元进行相位调制；

闲置光子经过Q-Plate进行轨道角动量调制，从而加载特定的轨道角动量阶数，并经第一达曼光栅根据轨道角动量阶数衍射进入Bob端相应的Bob用户中进行相位调制；

S3：由测量单元分别对相位调制后的信号光子和闲置光子进行测量解码；

S4：由Alice端和相应的Bob用户根据测量解码的结果生成量子密钥。

在具体实施过程中，Alice端和相应的Bob用户根据测量解码的结果生成量子密钥具体包括：密钥测量、密钥筛选和保密增强；其中，

密钥测量：Alice端对测量单元符合计数器CC响应情况进行记录，根据符合测量结果恢复出编码的密钥并建立随机秘密的序列作为原始密码；

密钥筛选和保密增强：通信双方对公布的响应结果进行信息比对，形成筛选密钥；然后在筛选密钥中随机挑选部分数据，通过计算所筛选的数据获得系统的误码率，判断是否存在窃听，若误码率高于阈值，则存在窃听，立刻终止通信并丢弃已生成的筛选码，若无窃听，则再次对筛选密钥进行数据协调，信息协调前后Alice与Bob的互信息将保持不变，最后通过保密增强协议进行数据保密增强；

Bob进行保密增强后，得到最终的量子密钥。通信双方利用量子密钥，结合一次一密，实现量子保密通信。

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 (10)

1.一种SAM-OAM纠缠的多用户QKD系统，其特征在于，包括Alice端、Bob端、SAM调制单元和测量单元；所述Bob端包括第一达曼光栅、第二达曼光栅和多个Bob用户；

所述Alice端产生纠缠光子对，包括信号光子和闲置光子；其中，信号光子传输至SAM调制单元中进行相位调制，调制完成后传输至测量单元；闲置光子在Alice端经过轨道角动量调制以加载特定的轨道角动量阶数后传输至第一达曼光栅，根据轨道角动量阶数衍射进入Bob端对应的Bob用户中进行相位调制，调制完成后经过第二达曼光栅传输至测量单元；由测量单元对信号光子和闲置光子测量解码，Alice端和相应的Bob用户根据测量解码的结果生成量子密钥。

2.根据权利要求1所述的一种SAM-OAM纠缠的多用户QKD系统，其特征在于，所述Alice端包括激光光源、衰减器、BBO晶体、Q-Plate、第一准直器和凸透镜；

所述激光光源发出的激光信号经过衰减器后得到单一偏振的弱光信号，弱光信号经过BBO晶体进行参量下转换，形成信号光子和闲置光子；其中，信号光子传输至SAM调制单元进行相位调制；闲置光子经过Q-Plate进行轨道角动量调制，从而加载特定的轨道角动量阶数，之后依次经过第一准直器、凸透镜传输至Bob端。

3.根据权利要求1所述的一种SAM-OAM纠缠的多用户QKD系统，其特征在于，所述Bob用户包括第二准直器、空间光调制器和第三准直器；

进入Bob用户的闲置光子经过第二准直器准直后进入空间光调制器中进行相位调制，相位调制后的闲置光子经过第三准直器准直后输出。

4.根据权利要求3所述的一种SAM-OAM纠缠的多用户QKD系统，其特征在于，所述Bob端还包括第四准直器；

第二达曼光栅输出的闲置光子经过第四准直器进行准直后传输至测量单元。

5.根据权利要求1所述的一种SAM-OAM纠缠的多用户QKD系统，其特征在于，所述第一达曼光栅和第二达曼光栅对称设置。

6.根据权利要求2所述的一种SAM-OAM纠缠的多用户QKD系统，其特征在于，所述SAM调制单元包括半波片和偏振分束器；

所述半波片的一端与BBO晶体的输出端连接，所述半波片的另一端与偏振分束器的输入端连接，偏振分束器的输出端与测量单元的输入端连接。

7.根据权利要求6所述的一种SAM-OAM纠缠的多用户QKD系统，其特征在于，所述测量单元包括第一单光子探测器、符合计数器和第二单光子探测器；

所述偏振分束器的输出端与第一单光子探测器的输入端连接，第一单光子探测器的输出端与符合计数器的一端连接，符合计数器的另一端与第二单光子探测器的输出端连接，第二单光子探测器的输入端与Bob端的输出端连接。

8.根据权利要求1所述的一种SAM-OAM纠缠的多用户QKD系统，其特征在于，信号光子通过单模光纤传输至SAM调制单元，闲置光子通过单模光纤传输至测量单元。

9.根据权利要求1所述的一种SAM-OAM纠缠的多用户QKD系统，其特征在于，所述Bob端的每一个Bob用户仅允许携带某一特定轨道角动量拓扑荷数的光子通过。

10.一种SAM-OAM纠缠的多用户QKD方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：激光光源发出的激光信号经过BBO晶体进行参量下转换，形成信号光子和闲置光子；

S2：信号光子传输至SAM调制单元进行相位调制；

闲置光子经过Q-Plate进行轨道角动量调制，从而加载特定的轨道角动量阶数，并经第一达曼光栅根据轨道角动量阶数衍射进入Bob端相应的Bob用户中进行相位调制；

S3：由测量单元分别对相位调制后的信号光子和闲置光子进行测量解码；

S4：由Alice端和相应的Bob用户根据测量解码的结果生成量子密钥。