CN204272150U - 一种基于轨道角动量编码的量子密钥分发系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种基于轨道角动量编码的量子密钥分发系统。在量子密钥编码发射端通过采用轨道角动量纠缠态作为信息编码的载体，并通过空间光调制器实现轨道角动量的动态调制，输出稳定的量子编码；在接收端利用空间光调制器和符合计数测量装置可以稳定快速的测量接收到的量子信息并最终通过公共信道上编码基和测量基的比对，准确解码出量子比特编码信息。本实用新型提出的量子密钥的调制与解调过程功能高度集成，可以方便地进行信息的实时发送和接收，系统高效、稳定。

Description

一种基于轨道角动量编码的量子密钥分发系统

技术领域

本实用新型涉及量子密码与光通信技术领域，具体涉及一种基于轨道角动量编码的量子密钥分发系统。

背景技术

量子密钥分发系统常用于加载量子编码信息的有偏振、相位等物理量。在基于偏振编码的量子密钥分发系统中，量子信息被编码在光子的偏振态上，偏振态通常需要利用铌酸锂等电光晶体进行调制，由于电光晶体较高的半波电压调制要求，因此在实际使用过程中受到很大的限制。另一方面，电光晶体还存在着调制速率不高的问题，这进一步影响到了量子密钥分发的成码率。此外，在量子信号的传输过程中，由于在光纤中不可避免的存在双折射及色散等干扰，偏振编码的量子信息很容易受到外界环境的影响，长距离传输后会导致较高的误码率。因此，基于偏振编码的量子密钥分发面临着成码率不高，传输距离有限的问题。为了解决偏振编码存在的问题，人们又将光子的相位信息应用到量子密钥分发的编码之中，相位编码利用两束相干光脉冲在马赫-曾德尔干涉仪中进行干涉，最终在干涉仪的输出端由两束光的干涉对比度信息解码出编码信息。相位编码较好的克服了量子信息在光纤传输中容易受到环境干扰的缺点，然而这种相干性在信息的发送端和接收端仍会受到器件的制约，特别是对马赫-曾德尔干涉仪的稳定性提出了严格的要求，因此其应用受到了一定的限制。

研究发现，除了偏振、相位等物理量之外，光子还可以携带一种叫做轨道角动量的自由度。与偏振、相位等物理量不同，携带轨道角动量的光束具有螺旋型波前和光学奇点，并具有独特的轨道角动量的量子拓扑结构特性，其独特的光学特性可以提高信息编码的安全性与调制能力，因此在量子信息以及光通信中具有重大的研究价值。目前，一种基于单光子轨道角动量的量子密钥分发方案得到了报道，该方案通过利用不同阶轨道角动量的正交特性进行信息的编解码，提高了光子的利用效率和系统的安全性，然而在其编码发射端，编码信息需要依赖两个可以发射携带不同轨道角动量光子的激光器，由于受到轨道角动量产生技术的制约，这种光子的产生效率并不高，且很难达到单光子的水平，这导致了系统误码率的增加，并存在被偷听者窃听的风险，此外，在其解码端同样需要使用一个马赫-曾德干涉仪，因此也增加了其在通信中的应用难度。一种基于自旋-轨道角动量混合调制的量子密钥分发系统也得到了报道，该系统利用混合的自旋-轨道角动量纠缠光子对作为编码信息的载体，并利用符合测量单元作为信息的解码装置，提高了系统的安全性，然而混合纠缠光源的核心产生器件q-plate目前还处于实验室研发阶段，其制作工艺复杂，成本较高且转化效率还不是很理想，这也限制了该系统的应用，另外，在系统的解调端，由于其解码的符合特性曲线为一个连续曲线，因此符合计数的微小偏离都会带来较高的误码率，由于信息发送者和接收者之间没有通信信道进行通信，该部分误码信息将无法有效消除。

实用新型内容

本实用新型的目的在于：提供一种结构简单、稳定快速的基于轨道角动量编码的量子密钥分发系统。

为了解决上述技术问题，本实用新型提供了一种基于轨道角动量编码的量子密钥分发系统，其包括密钥发送端和密钥接收端，所述密钥发送端包括，依次连结的激光器、聚焦透镜、BBO晶体、分束器、第一空间光调制器和第一滤波片，还包括第一计算机，所述第一计算机的一端与所述第一空间光调制器连接且另一端通过单模光纤与公共信道连接；所述密钥接收端包括，依次连接的第二空间光调制器、第二滤波片、第一单光子探测器和符合计数器，所述第二空间光调制器与所述分束器连接，还包括连接于所述第一滤波片与所述符合计数器之间的第二单光子探测器，还包括第二计算机，所述第二计算机的一端与所述第二空间光调制器连接且另一端通过单模光纤与所述公共信道连接，所述符合计数器与所述第二计算机连接；

所述激光器作为泵浦光源，用于泵浦产生高斯光；所述聚焦透镜用于聚焦激光光束；所述BBO晶体用于参量下转换产生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；所述分束器用于将参量下转换产生信号光子和闲置光子分两路输出；所述第一空间光调制器用于调制入射的信号光子，进行量子比特的编码，经调制的信号光子以基模高斯光的模式输出；所述第一计算机用于实时调制第一空间光调制器上的入射信号光子的轨道角动量态，并用于进行编码基和测量基的比对；所述第一滤波片用于滤掉信号光子中未转换的残留光子；所述信号光子通过单模光纤传送到所述第二单光子探测器；所述分束器将所述闲置光子通过自由空间传动送所述第二空间光调制器；

所述第二空间光调制器用于调制闲置光子轨道角动量态，进行闲置光子轨道角动量态的测量；所述第二计算机用于实时调制第二空间光调制器上入射闲置光子的轨道角动量态，并用于进行编码基和测量基的比对；所述第二滤波片用于滤掉闲置光子中未转换的残留光子；所述闲置光子通过单模光纤传送到所述第一单光子探测器；所述第一单光子探测器用于探测单模光纤传送的调制闲置光子，并记录单位时间内到达的闲置光子数目；所述第二单光子探测器用于探测单模光纤传送的调制信号光子，并记录单位时间内到达的信号光子数目；所述符合计数器用于接收第一单光子探测器和第二单光子探测器所传送的探测信号并产生符合测量计数，并将计数结果传送给第二计算机。

所述BBO晶体的化学式为β-BaB2O4，满足Ⅰ类相位匹配条件。

所述第一空间光调制器和所述第二空间光调制器为纯相位液晶反射型。

所述第一单光子探测器和所述第二单光子探测器为盖革模式的Si-APD,工作在可见光波段。

激光器所产生高斯光的波长为355nm，BBO晶体转换产生信号光子和闲置光子的波长为710nm。

相对于现有技术，本实用新型具有以下有益效果：

1、本实用新型采用轨道角动量纠缠态作为信息编码的载体，并采用符合计数的方法进行解码，抵抗环境变化能力强，实现了稳定、高码率的量子密钥分发；

2、本实用新型的量子编码、测量及公共信道的通信过程功能高度集成，可以方便地进行信息的实时发送和接收，操作性强；

3、本实用新型解决了现有的一种基于自旋-轨道角动量混合调制的量子密钥分发系统调制编码及解码能力不强的缺点。

附图说明

图1为本实用新型的系统结构和工作原理图；

图2为本实用新型的流程图。

具体实施方式

Alice代表密钥发送端，Bob代表密钥接收端。

请参阅图1，本实用新型的基于轨道角动量编码的量子密钥分发系统包括密钥发送端和密钥接收端，所述密钥发送端包括，依次连结的激光器10、聚焦透镜11、BBO晶体12、分束器13、第一空间光调制器14和第一滤波片16，还包括第一计算机15，所述第一计算机15的一端与所述第一空间光调制器14连接且另一端通过单模光纤与公共信道连接；所述密钥接收端包括，依次连接的第二空间光调制器20、第二滤波片22、第一单光子探测器23和符合计数器25，所述第二空间光调制器20与所述分束器13连接，还包括连接于所述第一滤波片16与所述符合计数器25之间的第二单光子探测器24，还包括第二计算机21，所述第二计算机21的一端与所述第二空间光调制器20连接且另一端通过单模光纤与所述公共信道连接，所述符合计数器25与所述第二计算机21连接；

所述激光器10作为泵浦光源，用于泵浦产生355nm的高斯光；所述聚焦透镜11用于聚焦激光光束；所述BBO晶体12用于参量下转换产生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；所述分束器13用于将参量下转换产生信号光子和闲置光子分两路输出；所述第一空间光调制器14用于调制入射的信号光子，调制轨道角动量态的量子信号，进行量子比特的编码；所述第一计算机15用于实时调制第一空间光调制器上的入射信号光子的轨道角动量态，并用于进行编码基和测量基的比对；所述第一滤波片16用于滤掉信号光子中残留的355nm光子，并将所述信号光子通过单模光纤传送到所述第二单光子探测器24；所述分束器13将所述闲置光子通过自由空间传动到所述第二空间光调制器20；

所述第二空间光调制器20用于调制闲置光子轨道角动量态，进行闲置光子轨道角动量态的测量；所述第二计算机21用于实时调制第二空间光调制器上入射闲置光子的轨道角动量态，并用于进行编码基和测量基的比对；所述第二滤波片22用于滤掉闲置光子中残留的355nm光子，并将所述闲置光子通过单模光纤传送到所述第一单光子探测器23；所述第一单光子探测器23用于探测单模光纤传送的调制闲置光子，并记录单位时间内到达的闲置光子数目；所述第二单光子探测器24用于探测单模光纤传送的调制信号光子，并记录单位时间内到达的信号光子数目；所述符合计数器25用于接收第一单光子探测器23和第二单光子探测器24所传送的探测信号并产生符合测量计数，并将计数结果传送给第二计算机21。

所述BBO晶体12的化学式为β-BaB2O4，满足Ⅰ类相位匹配条件。

所述第一空间光调制器14和所述第二空间光调制器20为纯相位液晶反射型。

所述第一单光子探测器23和所述第二单光子探测器24为盖革模式的Si-APD,工作在可见光波段。

本实用新型还提供了一种基于轨道角动量编码的量子密钥分发方法，其基本原理为：在发射端通过空间光调制器实现轨道角动量的调制，输出稳定的量子编码；在接收端利用空间光调制器-符合计数测量装置可以稳定快速的测量接收到的量子信息并最终通过公共信道上编码基和测量基的比对解码量子比特信息。

一种基于轨道角动量编码的量子密钥分发方法，包括轨道角动量的比特编码方法和量子比特解调方法；

所述轨道角动量的比特编码方法包括以下步骤：

①轨道角动量纠缠态的制备：激光器10发射出355nm的激光经聚焦透镜11聚焦后正入射到BBO晶体12中，在入射激光的激励下，所述BBO晶体12通过自发参量下转换过程将产生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，此时信号光子和闲置光子轨道角动量纠缠态可表示为其中a和b分别表示信号光子和闲置光子，l表示轨道角动量的特征量子数；分束器13将信号光子和闲置光子分两路输出，信号光子入射到第一空间光调制器14，闲置光子通过自由空间传送到第二空间光调制器20；

②信号光子轨道角动量态调制：第一计算机15实时控制所述第一空间光调制器14，调制入射信号光子的轨道角动量态，对信号光子进行编码；

所述编码具体为：通过随机调制四种不同的轨道角动量态，加载量子比特编码，这四个量子态分别为 其中，和相互正交，组成量子位的正交归一基矢和相互正交，组成量子位的正交归一基矢两组正交归一基矢之间满足关系式，其中下标m,n＝1,2，分别代表不同的基矢，i,j＝1,2，分别代表不同的轨道角动量态。两组正交归一基矢之间的关系式表明，在通信双方之间，如果信息发送方和接收方以同样的基矢进行编解码时，得到的结果是确定的，接收方可以推断出发送方的编码信息；而一旦信息接收方以错误的基矢进行测量时，得到的测量结果将是随机的。这里规定 $\frac{1}{\sqrt{2}}\left(\right|+2\⟩+|-2\⟩),\frac{1}{\sqrt{2}}\left(\right|+2\⟩+i|-2\⟩),$ 代表Alice的编码为“0”， $\frac{1}{\sqrt{2}}\left(\right|+2\⟩-|-2\⟩),\frac{1}{\sqrt{2}}\left(\right|+2\⟩-i|-2\⟩)$ 代表Alice的编码为“1”，轨道角动量态编码比特方法如表1所示：

表1轨道角动量态编码比特方法

③调制编码的发射:信号光子在经过第一空间光调制14的调制后，调制光子以基模高斯光的模式输出，经过第一滤波片16的滤波后耦合进单模光纤中发送，单模光纤向第二单光子探测器发射基模高斯模式的量子态编码；另一方面，由于BBO晶体在参量下转换的过程中，仍有部分光子尚未转化，该部分光子波长仍为355nm的高斯光，因此滤波片的作用是将这部分355nm的高斯光的光子过滤掉，隔离其对编码量子信号的串扰；

所述量子比特解调方法包括以下步骤：

①闲置光子轨道角动量测量调制：密钥接收端随机地从和两组基中选择一组，作为测量量子信号的测量基，并随机的将闲置光子调制为该组基所属的一种轨道角动量态，这个过程通过第二计算机21控制第二空间光调制器20来完成；随后，闲置光子经过滤波片22的滤波后耦合进单模光纤中，进行传送。

②信号光子与闲置符合计数测量：调制的信号光子和闲置光子经单模光纤的传送分别到达第一单光子探测器23和第二单光子单侧器24，进行单光子的探测，第一单光子探测器和第二单光子单侧器分别记录单位时间内到达的闲置光子的数目和信号光子的数目，之后，探测数据发送到符合计数器25进行符合计数的测量，记录下同一时间内两个单光子探测器同时接收到光子数目，符合计数结果最终将被送到计算机21处。

③编码基与测量基比对：第一计算机与第二计算机在公共信道上进行编码基与测量基比对，当编码基与测量基相同，则第二计算机保留该次符合计数测量结果；当编码基与测量基不同，则第二计算机舍弃该次符合计数测量结果并通过公共信道告知第一计算机；

根据信号光子和闲置光子的轨道角动量态纠缠特性，当信号光子调制轨道角动量态为闲置光子调制轨道角动量态为时，符合计数函数可表示为因此，当Alice和Bob选取了相同的编码基和测量基进行符合计数时(同为或同为)，如果量子态相同，则得到的符合计数值为0.5，如果量子态不相同，则得到的符合计数值为0；当他们的编码基和测量基选取的不相同时，符合计数均为0.25；

④密码比特的建立：根据符合计数值，Alice和Bob的具体解码过程如下：

Bob在获得符合计数值后，通过公共信道和Alice进行编码基与测量基的比对，决定信号光子所携带的比特信息：当Alice和Bob的编码基和测量基选取一致时，如果符合计数结果为“0”，则Bob可以推断出Alice编码的轨道角动量态与自己调制的量子态之间相互正交，如果符合计数结果为“0.5”，则可以推断出Alice编码的轨道角动量态与自己调制的量子态相同。因此，当编码基和测量基相同时，Bob可以获得Alice的编码轨道角动量态信息，并根据轨道角动量态进一步解码出Alice的编码比特；当Alice和Bob编码基和测量基选取不一致时，符合计数值全都为0.25，此时Bob无法判断出Alice的编码量子态信息。因此，Alice和Bob在进行量子态的编码(解码)后在公共信道上进行通信，公开他们的编码基(测量基)，他们约定，基相同的部分数据将各自继续占有，而基不相同的数据将全部舍弃。例如，Bob选取量子态进行测量，如果符合计数值为0，则他推断出Alice的正交态并解码出Alice的编码比特“1”；如果符合计数值为0.5，则他推断出Alice与他选择了相同的量子态，并解码出Alice的编码比特“0”；如果符合计数值为0.25，则舍弃该数据。Alice和Bob的密钥比特形成过程如表2所示：

表2Alice和Bob的密钥比特形成过程

上述编解码的方式是在没有考虑窃听者Eve的理想情况下进行的，因此还必须考虑窃听者Eve存在时给通信系统带来的影响。由于Alice和Bob的信号光子和闲置光子纠缠于轨道角动量，因此可以通过轨道角动量纠缠度的验证来判定Eve的窃听行为是否存在。此时，Alice和Bob取出一部分数据进行Bell-CHSH不等式的计算，并根据Bell-CHSH不等式的违背情况来推测窃听者存在的可能性以及窃听造成的破坏程度，如果窃听超出合理范围则通信将取消。

Bell-CHSH不等式判据为： 其中，S为纠缠态的Bell系数；(i，j＝1,2)为轨道角动量相关系数；C_mn(m，n＝0,1)表示Alice和Bob测量结果分别为m和n的概率。根据量子纠缠理论，如果Alice和Bob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|≤2。因此根据Bell-CHSH不等式的违背情况可以判定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和Bob共享解码的密钥比特，整个量子密钥分发与共享过程如图2所示。

根据上述说明书的揭示和教导，本实用新型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，本实用新型并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对本实用新型的一些修改和变更也应当落入本实用新型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，并不对本实用新型构成任何限制。

Claims (5)

1.一种基于轨道角动量编码的量子密钥分发系统，其特征在于：包括密钥发送端和密钥接收端；

所述密钥发送端包括，依次连结的激光器、聚焦透镜、BBO晶体、分束器、第一空间光调制器和第一滤波片，还包括第一计算机，所述第一计算机的一端与所述第一空间光调制器连接且另一端通过单模光纤与公共信道连接；

所述密钥接收端包括，依次连接的第二空间光调制器、第二滤波片、第一单光子探测器和符合计数器，所述第二空间光调制器与所述分束器连接，还包括连接于所述第一滤波片与所述符合计数器之间的第二单光子探测器，还包括第二计算机，所述第二计算机的一端与所述第二空间光调制器连接且另一端通过单模光纤与所述公共信道连接，所述符合计数器与所述第二计算机连接；

所述激光器作为泵浦光源，用于泵浦产生高斯光；所述聚焦透镜用于聚焦激光光束；所述BBO晶体用于参量下转换产生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；所述分束器用于将参量下转换产生信号光子和闲置光子分两路输出；所述第一空间光调制器用于调制入射的信号光子，进行量子比特的编码；所述第一计算机用于实时调制第一空间光调制器上的入射信号光子的轨道角动量态，并用于进行编码基和测量基的比对；所述第一滤波片用于滤掉信号光子中未转换的残留光子；所述信号光子通过单模光纤传送到所述第二单光子探测器；所述分束器将所述闲置光子通过自由空间传送到所述第二空间光调制器；

所述第二空间光调制器用于调制闲置光子轨道角动量态，进行闲置光子轨道角动量态的测量；所述第二计算机用于实时调制第二空间光调制器上入射闲置光子的轨道角动量态，并用于进行编码基和测量基的比对；所述第二滤波片用于滤掉闲置光子中未转换的残留光子；所述闲置光子通过单模光纤传送到所述第一单光子探测器；所述第一单光子探测器用于探测单模光纤传送的调制闲置光子，并记录单位时间内到达的闲置光子数目；所述第二单光子探测器用于探测单模光纤传送的调制信号光子，并记录单位时间内到达的信号光子数目；所述符合计数器用于接收第一单光子探测器和第二单光子探测器所传送的探测信号并产生符合测量计数，并将计数结果传送给第二计算机。

2.根据权利要求1所述的一种基于轨道角动量编码的量子密钥分发系统，其特征在于：所述BBO晶体的化学式为β-BaB2O4，满足Ⅰ类相位匹配条件。

3.根据权利要求1所述的一种基于轨道角动量编码的量子密钥分发系统，其特征在于：所述第一空间光调制器和所述第二空间光调制器为纯相位液晶反射型。

4.根据权利要求1所述的一种基于轨道角动量编码的量子密钥分发系统，其特征在于：所述第一单光子探测器和所述第二单光子探测器为盖革模式的Si-APD,工作在可见光波段。

5.根据权利要求1-4任一项所述的一种基于轨道角动量编码的量子密钥分发系统，其特征在于：激光器所产生高斯光的波长为355nm，BBO晶体转换产生信号光子和闲置光子的波长为710nm。