CN209267589U - 一种实时跟踪补偿的oam测量设备无关量子密钥分发系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种实时跟踪补偿的OAM测量设备无关量子密钥分发系统，包括用户端Alice，用户端Bob和测量单元；所述用户端Alice和用户端Bob利用来自测量单元的强脉冲激光实现信道环境实时监测，结合变形镜可补偿光束的相位畸变；所述测量单元可对具有轨道角动量的光子进行Bell态的测量，同时结合时分复用技术减少了探测器的数量需求；本实用新型实现了基于OAM的测量设备无关量子密钥分发，用户利用轨道角动量态进行编码，具有稳定性好，成码率高，扩展性强的特点。

Description

一种实时跟踪补偿的OAM测量设备无关量子密钥分发系统

技术领域

本实用新型属于量子信息与光通信技术领域，涉及一种实时跟踪补偿的OAM测量设备无关量子密钥分发系统。

背景技术

自1984年第一个量子密钥分配协议问世以来，量子密钥分配(Quantum KeyDistribution，QKD)一直被认为是量子信息科学中一项非常可行的技术。QKD允许两个远程用户(Alice和bob)根据量子物理定律生成具有理论上无条件安全的密钥。然而，在现实环境下，理想模型和实际设备之间存在差距。例如，一个理想的QKD协议需要一个理想的单光子源和探测器来保证其安全性。以目前的技术来看，理想的单光子源和探测器是难以实现的。这些器件的不理想使得QKD系统容易受到各种攻击。例如，光子数分裂攻击、时移攻击和致盲攻击等。

为了克服这些困难，人们提出了设备无关的量子密钥分配的概念(Deviceindependent Quantum Key Distribution，DI-QKD)。DI-QKD的安全性不取决于设备的特性，这意味着即使设备不理想，量子黑客也无法利用这一缺陷窃取到任何信息。因此，DI-QKD总是能保证无条件的理论安全。然而，DI-QKD的实现是一项艰难的挑战，它需要完美的Bell态测量和非常高效率的单光子检测技术，这是现有技术难以达到的。但最近提出的测量设备无关的量子密钥分配协议(Measurment Device Independent Quantum KeyDistribution， MDI-QKD)，缩短了DI-QKD与实用化的距离，做到了部分QKD设备无关的量子通信，消除了所有与探测相关的安全漏洞。同时，该协议引入了诱骗态的方案，利用相位随机化使得光子态转化为光子数的混态，可很好预防光子数分裂攻击。经过近几年的研究，人们已研发出多种MDI-QKD的实现方案，如偏振编码的方案、相位编码的方案和time-bin编码的方案等。QKD实用安全性跨入了新阶段。

MDI-QKD协议一次性解决了量子密钥系统测量端的所有漏洞问题，但在光源部分、调制部分和边信道部分等依旧存在影响安全的漏洞。如，传统MDI-QKD(专利：CN106712940)结合诱骗态引入了弱相干光源，降低了MDI-QKD系统对光源的要求，但用户双方使用的是各自独立的光源，各自发射光的光谱不一致。而利用这一差异，量子黑客可以区分光子的来源，进而窃取用户的密钥信息。又如，郭光灿小组提出的测量设备无关量子密钥分发系统和方法(专利：CN107372627)利用时间复用技术减少了单光子探测器的数量要求，但也存在光谱不一致的问题。而针对光谱不一致的问题，人们提出了即插即用的MDI-QKD(文献： Liu,C.Q.at al.(2016).Polarization-Encoding-Based Measurement-Device-IndependentQuantum Key Distribution with a Single Untrusted Source.Chinese PhysicsLetters, 33(10).)，但其调制方案存在测量基参考系不完全匹配的问题，增加了误码率。对此，近期人们提出的基于轨道角动量态(OAM)编码的MDI-QKD方案(文献：Wang L,Zhao SM, Gong L Y,et al.Free-space measurement-device-independent quantum-key-distribution protocol using decoy states with orbital angular momentum[J].Chinese Physics B, 2015,24(12):120307.)，解决了参考系不完全匹配的问题，减小了误码率，但存在光谱不一致的问题，针对信道环境也没有很好的监测方法和信号补偿方法，因此，弱信号量子密钥分发系统性能极容易受到外界环境的影响，同时系统的测量单元需要四个单光子探测器，建设成本高。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种实时跟踪补偿的OAM测量设备无关量子密钥分发系统，该系统的测量单元利用脉冲激光器、偏振分束器和分束器将强光脉冲传输至用户端，用户端利用电荷耦合元件(CCD)和分束器进行监测与同步，通过变形镜进行相位畸变补偿，利用强度调制器和空间光调制器随机产生光子数小于1的具有轨道角动量的诱骗态和信号态光子，发送到中间的测量单元，测量单元利用时间复用的单光子探测器对用户发送的光子态进行测量，并公布测量结果，用户根据测量的响应情况进过基对比和协商等过程后，在本地产生一致的密钥。

一种实时跟踪补偿的OAM测量设备无关量子密钥分发系统采用单光源的结构，可自然地实现光谱模式的匹配，同时可方便地实现实时的信道监测、脉冲强度和大气湍流强度的测量以及时钟同步等。

为达到上述目的，本实用新型的技术方案实现如下：

一种实时跟踪补偿的OAM测量设备无关量子密钥分发系统，包括：用户端Alice、用户端Bob和测量单元；

所述用户端Alice和用户端Bob通过量子信道与测量单元连接，其中：

所述测量单元包括：第一、二望远镜系统、第一至第四反射镜、第一50:50分束器、第一偏振分束器、脉冲激光器、第一延时器、M-Z干涉仪、二单光子探测器；所述测量单元的脉冲激光器发出基模高斯光束时，先经过第一偏振分束器的筛选将偏振模式为竖直偏振的基模高斯光反射至第一50:50分束器分成两束，再经过第一反射镜和第二反射镜反射，最后经过所述第一望远镜系统和第二望远镜系统准直，通过量子信道分别发往用户端Alice 和用户端Bob；

用户端Alice和用户端Bob分别利用来自测量单元的强脉冲激光实现信道环境实时监测、相位畸变补偿以及轨道角动量的编码后发往测量单元；

所述测量单元的第一望远镜系统和第二望远镜系统分别接收来自用户端Alice和用户端Bob的信号脉冲时，此信号脉冲先经过所述第一反射镜和第二反射镜反射，然后在第一 50:50分束器处进行干涉，干涉后的脉冲经过反射镜的反射后，经过第一延时器被分成时间模式不同的前后脉冲，进入M-Z干涉仪，然后被M-Z干涉仪分离，最后进入第一单光子探测器和第二单光子探测器造成响应，输出测量结果；用户端Alice和用户端Bob根据测量的响应情况，经过基的对比和密钥协商等过程后，在本地产生一致的密钥。

优选地，所述用户端Alice包括：第三望远镜系统，第一窄带滤波器，第一分束器，第一电荷耦合元件，第二延时器，第二偏振分束器，第一变形镜，第二变形镜，第一半波片，第一空间光调制器和第一强度调制器；

所述用户端Bob包括：第四望远镜系统，第二窄带滤波器，第二分束器，第二电荷耦合元件，第三延时器，第三偏振分束器，第三变形镜，第四变形镜，第二半波片，第二空间光调制器和第二强度调制器。

优选地，所述第一、二电荷耦合元件(CCD)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，所述第一、二变形镜和第三、四变形镜分别根据所述第一电荷耦合元件(CCD)和第二电荷耦合元件(CCD) 提供的参考信息对波前相位进行畸变补偿。

优选地，所述第一、二空间光调制器与所述第一、二强度调制器对脉冲进行随机调制；

所述第一空间光调制器和第二空间光调制器对轨道角动量进行编码时，随机选择四个态中的一个进行编码；其中{|o>，|e>}为X基；为Y基；|o>和代表比特0；|e>和代表比特1；|o>和|e>分别代表拓扑荷数为奇数和偶数的轨道角动量态；所述第一、二强度调制器精确产生不同平均光子数强度的诱骗态和信号态光子。

优选地，所述M-Z干涉仪包括第二50:50分束器、第三50:50分束器、第五反射镜、第六反射镜、第一达夫棱镜和第二达夫棱镜。

优选地，所述用户端Alice的第三望远镜系统接收来自测量单元的脉冲激光，经过第一窄带滤波器滤除通信波段以外的光，再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；所述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；所述下支路用于调制脉冲加载相位信息，依次连接第二延时器、第二偏振分束器、第一变形镜、第一半波片、第一空间光调制器、第一强度调制器和第二变形镜；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二偏振分束器，第二偏振分束器将脉冲激光反射至第一变形镜，第一变形镜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至第一半波片，第一半波片将其偏振态翻转90度后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，编码后的脉冲通过第一强度调制器被调制成不同平均光子数强度的轨道角动量信号态与诱骗态，经过第二变形镜进行相位校正，从第二偏振分束器透射，通过第二延时器、第二分束器和第一窄带滤波器到达第三望远镜系统，最后第三望远镜系统对信号态和诱骗态进行准直，发往测量单元。

优选地，所述用户端Bob的第四望远镜系统接收来自测量单元的脉冲激光，经过第二窄带滤波器滤除通信波段以外的光，再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；所述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；所述下支路用于调制脉冲加载相位信息，依次连接第三延时器、第三偏振分束器、第二变形镜、第二半波片、第二空间光调制器和第二强度调制器；分离到下支路的脉冲激光先进入第三延时器，经过一定的时延后进入第三偏振分束器，第三偏振分束器将脉冲激光反射至第二变形镜，第二变形镜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至第二半波片，第二半波片将其偏振态翻转90度后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，编码后的脉冲通过第一强度调制器被调制成不同平均光子数强度的轨道角动量信号态与诱骗态，经过第四变形镜进行相位校正，从第三偏振分束器透射，通过第三延时器、第二分束器和第二窄带滤波器到达第四望远镜系统，最后第四望远镜系统对信号态和诱骗态进行准直，发往测量单元。

优选地，所述第一延时器可在两臂之间造成一定延时，将两臂的脉冲分成时间模式不同的前后脉冲输出。

优选地，所述量子信道为自由空间信道或光纤信道；

优选地，所述测量单元接收到来自用户端Alice和用户端Bob将的信号脉冲，并对其进行干涉测量时，所述测量单元的第一50:50分束器擦除了光子态路径信息，使得光子态不可区分。由于HOM效应，相同的光子态会从第一50:50分束器的同一输出端口输出，不同的光子态则相互独立输出。

具体地，所述信号脉冲在测量单元的第一50:50分束器干涉后，从50:50分束器的上下两端口输出，通过所述反射镜的反射，经过延时器分成时间模式不同的前后脉冲，进入M-Z 干涉仪。M-Z干涉仪对输入光子的作用表示如下：

设入射到M-Z干涉仪输入端口的光子态为:

|φ>_in＝|0>|1>

其中，|0>表示真空态，|1>表示单光子态。经过第二50:50分束器后光子态变为：

上述式子表明光子从第二50:50分束器透射端和反射端输出的概率都是50％，其中i表示反射端输出时造成的半波相移。光子态再经过达夫棱镜的作用后，两条光路产生φ＝la的相位差，此时光子态为：

经过第三50:50分束器后光子态变为：

|φ>_BS2＝1/2(1-e^iφ)|0>|1>+i/2(1+e^iφ)|1>|0>

若设α＝π，则：

轨道角动量阶数l为奇数时，|φ〉_BS2变为|0>|1>，光子从第三50:50分束器上端口输出；

轨道角动量阶数l为偶数时，|φ>_BS2变为|1>|0>，光子从第三50:50分束器下端口输出。

所述M-Z干涉仪输出的态最终被单光子探测器探测，响应输出结果。具体地，测量单元响应的情况如下表：

如上表所示，其中，第一单光子探测器响应时称为“A响应”，表示响应光子的轨道角动量阶数l为奇数；第二单光子探测器响应时称为“B响应”，表示响应光子的轨道角动量阶数l为偶数；可以看出，只有“不同干涉仪下，AB响应”才可以成码。特别地，第三延时器310将通过第一50:50分束器的脉冲分成时间模式不同的前后脉冲。当来自用户端Alice 和用户端Bob的光子都以相同的时间模式进入干涉仪时，无法形成单光子干涉现象，因此不能有效地对轨道角动量阶数l进行奇偶分离，造成探测器的随机响应，导致无法成码。“不同时间模式下，AB响应”称为成功探测事件。

最后用户端Alice和用户端Bob根据测量单元的响应情况，经过基的对比和密钥协商等过程后，在本地产生一致的密钥。

有益效果

与现有技术相比，本实用新型的有益效果为：

1、本实用新型一种实时跟踪补偿的OAM测量设备无关量子密钥分发系统的用户端运用两个变形镜和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。

2、本实用新型的一种实时跟踪补偿的OAM测量设备无关量子密钥分发系统引用了即插即用MDI-QKD系统的结构，用户双方的脉冲信号均来自同一激光器，它们的光谱模式自然相同，在干涉测量时具有极高的保真度；利用该光源，可方便地实现实时的信道监测，防止特洛伊木马攻击，方便地进行时钟同步。

3、本实用新型的一种实时跟踪补偿的OAM测量设备无关量子密钥分发系统及方法，利用具有轨道角动量(OAM)的光子作为信息的载体，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；并且轨道角动量态具有无限维度的特性，使得本实用新型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；

4、本实用新型利用延时器对脉冲进行时间复用，使得测量单元只需要两个探测就可实现Bell态测量操作；

附图说明

图1为本实用新型测量单元的结构框图；

图2为本实用新型用户端Alice的结构框图；

图3为本实用新型用户端Bob的结构框图；

图4为本实用新型的系统工作原理图；

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的具体实施方式作进一步说明。

如图1至图3所示，一种实时跟踪补偿的OAM测量设备无关量子密钥分发系统，包括：用户端Alice、用户端Bob和测量单元。

所述用户端Alice和用户端Bob通过量子信道与测量单元连接，其中：

所述量子信道为自由空间信道或光纤信道，本方案以自由空间信道为例进行说明。

所述测量单元利用脉冲激光器产生强的高斯脉冲，高斯脉冲通过偏振分束器和分束器将传输至用户端，用户端利用电荷耦合元件(CCD)和分束器进行监测与同步，同时采用变形镜对畸变的相位进行相位畸变补偿，利用强度调制器和空间光调制器随机产生光子数小于1的具有轨道角动量的诱骗态和信号态光子，发送到中间的测量单元，测量单元利用时间复用的单光子探测器对用户发送的光子态进行测量，并公布测量结果，用户根据测量的响应情况进过基对比和协商等过程后，在本地产生一致的密钥。

如图1所示，所述测量单元包括：第一望远镜系统301、第二望远镜系统302，第一反射镜303、第二反射镜304，第一50:50分束器305、第二50:50分束器320、第三50:50 分束器325，第一偏振分束器306，脉冲激光器307，第三反射镜308、第四反射镜309、第五反射镜321、第六反射镜322，第一延时器310，第一达夫棱镜323、第二达夫棱镜324 和第一单光子探测器326、第二单光子探测器327。

所述第二50:50分束器320、第三50:50分束器325，第五反射镜321、第六反射镜322、第一达夫棱镜323、第二达夫棱镜324、第一单光子探测器326和第二单光子探测器327组成M-Z干涉仪。

所述第一望远镜系统301、第二望远镜系统302主要用于光束的准直；所述第一偏振分束器306透过水平偏振光，反射垂直偏振光；所述脉冲激光器307作为泵浦光源，用于泵浦产生基模高斯光；所述第三延时器310可在两臂之间造成一定延时，将两臂的脉冲分成时间模式不同的前后脉冲输出；所述50:50分束器320、325，反射镜321、322和达夫棱镜 323、324构成一个M-Z干涉仪，用于分离轨道角动量阶数l为奇数和偶数的光子；M-Z干涉仪两条光路中的达夫棱镜323、324的相对角度为α/2时，所述第一达夫棱镜323和第二达夫棱镜324的作用等效于在其中一条光路加入旋转角度为α的光束旋转器，使轨道角动量为 l的光子在干涉仪两条光路产生φ＝lα的相位差；所述第一单光子探测器326、327用于探测单光子量级的光信号；

如图2所示，所述用户端Alice包括：第三望远镜系统101，第一窄带滤波器102，第一分束器103，第一电荷耦合元件(CCD)104，第二延时器105，第二偏振分束器106，第一变形镜107，第一半波片108，第一空间光调制器109和第一强度调制器110。

如图3所示，所述用户端Bob包括：第四望远镜系统201，第二窄带滤波器202，第二分束器203，第二电荷耦合元件(CCD)204，第三延时器205，第三偏振分束器206，第二变形镜207，第二半波片208，第二空间光调制器209和第二强度调制器210。

所述第三望远镜系统101、第四望远镜系统201包括两个共焦的凸透镜，用于控制激光脉冲的尺度大小，控制激光光束的远场发散角；所述第一窄带滤波器102、第二窄带滤波器 202用于滤除通信波段以外的光；所述第一分束器103、第二分束器203将入射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；所述第一电荷耦合元件(CCD)104、第二电荷耦合元件(CCD)204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，为时钟同步以及下支路的相位畸变补偿提供参考信息；所述第二偏振分束器106、第三偏振分束器206透过水平偏振光，反射垂直偏振光；所述第一变形镜107、第二变形镜207、第三变形镜303和第四变形镜304又称波前校正器，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；所述第一半波片108、第二半波片208的主截面与入射光偏振面呈45度放置，可将入射光的偏振方向旋转90度；所述第一空间光调制器109、第二空间光调制器209为纯相位型反射式液晶空间光调制器，是一种基于液晶分子电致双折射效应的有源数字光学器件，用于调制光束的轨道角动量；所述第一强度调制器110、第二强度调制器210可精确产生不同平均光子数强度的诱骗态和信号态光子。

参照附图4所示，在进行量子通信时，所述测量单元的脉冲激光器307发出基模高斯光束，先经过第一偏振分束器306的筛选，将偏振模式为竖直偏振的基模高斯光反射至第一50:50分束器305分成两束，再分别经过第一反射镜303和第二反射镜304反射，最后经过所述第一望远镜系统301和第二望远镜系统302准直，控制远场发散角，然后通过量子信道分别发往用户端Alice和用户端Bob；

所述用户端Alice的第三望远镜系统101接收来自测量单元的脉冲激光，经过第一窄带滤波器102滤除通信波段以外的其他光，再经过第一分束器103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；所述上支路连接第一电荷耦合元件(CCD)104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；所述下支路用于调制脉冲加载相位信息，依次连接第二延时器105、第二偏振分束器106、第一变形镜107、第一半波片108、第一空间光调制器109和第一强度调制器110；分离到下支路的脉冲激光先进入第二延时器105，经过一定的时延后进入第二偏振分束器106，第二偏振分束器106将脉冲激光反射至第一变形镜107，第一变形镜107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至第一半波片108，第一半波片108将其偏振态翻转90度后进入第一空间光调制器109，第一空间光调制器109对脉冲进行轨道角动量的编码，编码后的脉冲通过第一强度调制器110被调制成不同平均光子数强度的轨道角动量信号态与诱骗态，经过第二变形镜111进行相位校正，从第二偏振分束器106透射，通过第二延时器105、第一分束器103和第一窄带滤波器102到达第三望远镜系统101，第三望远镜系统101对信号态和诱骗态进行准直，发往测量单元。

所述用户端Bob的第四望远镜系统201接收来自测量单元的脉冲激光，然后经过第二窄带滤波器202滤除通信波段以外的其他光，再经过第二分束器203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；，所述上支路连接第二电荷耦合元件(CCD)204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；所述下支路用于调制脉冲加载相位信息，依次连接第二延时器205、第三偏振分束器206、第二变形镜207、第二半波片208、第二空间光调制器209和第二强度调制器210；分离到下支路的脉冲激光先进入第二延时器205，经过一定的时延后进入第三偏振分束器206，第三偏振分束器206将脉冲激光反射至第二变形镜207，第二变形镜207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至第二半波片208，第二半波片208将其偏振态翻转90度后进入第二空间光调制器209，第二空间光调制器209对脉冲进行轨道角动量的编码，编码后的脉冲通过第二强度调制器210被调制成不同平均光子数强度的轨道角动量信号态与诱骗态，经过第四变形镜 211进行相位校正，从第三偏振分束器206透射，通过第二延时器205、第二分束器203和第二窄带滤波器202到达第四望远镜系统201，第四望远镜系统201对信号态和诱骗态进行准直，发往测量单元。

所述第一空间光调制器和第二空间光调制器对轨道角动量进行编码时，随机选择四个态中的一个进行编码。其中{|o>，|e>}为X基；为Y基；|o>和代表比特0；|e>和代表比特1；|o>和|e>分别代表拓扑荷数为奇数和偶数的轨道角动量态。

所述测量单元的第一望远镜系统301、第二望远镜系统302分别接收来自用户端Alice 和用户端Bob的信号脉冲，分别利用所述第一反射镜镜303、第二反射镜304反射，在所述第一50:50分束器305处干涉。所述第一50:50分束器305擦除了光子态路径信息，使得光子态不可区分。由于HOM效应，相同的光子态会从所述第一50:50分束器305的同一输出端口输出，不同的光子态则相互独立输出。

所述信号脉冲从第一50:50分束器305的上下两端口输出，通过所述第三反射镜308、第四反射镜309的反射，经过延时器310分成时间模式不同的前后脉冲，进入M-Z干涉仪。

M-Z干涉仪对输入光子的作用表示如下：

设入射到M-Z干涉仪输入端口的光子态为:

|φ>_in＝|0>|1>

其中，|0>表示真空态，|1>表示单光子态。经过第二50:50分束器320后光子态变为：

上述式子表明光子从第二50:50分束器320透射端和反射端输出的概率都是50％，其中i表示反射端输出时造成的半波相移。光子态再经过达夫棱镜323、324的作用后，两条光路产生φ＝lα的相位差，此时光子态为：

经过第三50:50分束器325后光子态变为：

|φ>_BS2＝1/2(1-e^iφ)|0>|1>+1/2(1+e^iφ)|1>|0>

若设α＝π，则：

轨道角动量阶数l为奇数时，|φ>_BS2变为|0>|1>，光子从第三50:50分束器325上端口输出；

轨道角动量阶数l为偶数时，|φ>_BS3变为|1>|0>，光子从第三50:50分束器325下端口输出。

所述M-Z干涉仪输出的态最终被单光子探测器探测，响应输出结果。具体地，测量单元响应的情况如下表：

如上表所示，其中，第一单光子探测器326响应时称为“A响应”，表示响应光子的轨道角动量阶数l为奇数；第二单光子探测器327响应时称为“B响应”，表示响应光子的轨道角动量阶数l为偶数；可以看出，只有“不同时间模式下，AB响应”才可以成码。特别地，第三延时器310将通过第一50:50分束器305的脉冲分成时间模式不同的前后脉冲。当来自用户端Alice和用户端Bob的光子都以相同的时间模式进入干涉仪时，无法形成单光子干涉现象，因此不能有效地对轨道角动量阶数l进行奇偶分离，造成探测器的随机响应，导致无法成码。“不同时间模式下，AB响应”称为成功探测事件。

最后，用户端Alice和用户端Bob根据测量的响应情况，经过基的对比和密钥协商等过程后，在本地产生一致的密钥。

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。因此，本申请的保护范围应该以权利要求的保护范围为准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 (9)

1.一种实时跟踪补偿的OAM测量设备无关量子密钥分发系统，其特征在于，包括：用户端Alice、用户端Bob和测量单元；

所述用户端Alice和用户端Bob通过量子信道与测量单元连接，其中：

所述测量单元包括：第一、二望远镜系统、第一至第四反射镜、第一50:50分束器、第一偏振分束器、脉冲激光器、第一延时器、M-Z干涉仪、二单光子探测器；

所述测量单元的脉冲激光器发出基模高斯光束时，先经过第一偏振分束器的筛选将偏振模式为竖直偏振的基模高斯光反射至第一50:50分束器分成两束，再经过第一反射镜和第二反射镜反射，最后经过所述第一望远镜系统和第二望远镜系统准直，通过量子信道分别发往用户端Alice和用户端Bob；

用户端Alice和用户端Bob分别利用来自测量单元的强脉冲激光实现信道环境实时监测、相位畸变补偿以及轨道角动量的编码后发往测量单元；

所述测量单元的第一望远镜系统和第二望远镜系统分别接收来自用户端Alice和用户端Bob的信号脉冲时，此信号脉冲先经过所述第一反射镜和第二反射镜反射然后在第一50:50分束器处进行干涉，干涉后的脉冲经过反射镜的反射后，经过第一延时器被分成时间模式不同的前后脉冲，进入M-Z干涉仪，然后被M-Z干涉仪分离，最后进入第一单光子探测器和第二单光子探测器造成响应，输出测量结果；用户端Alice和用户端Bob根据测量的响应情况，经过基的对比和密钥协商等过程后，在本地产生一致的密钥。

2.如权利要求1所述的一种实时跟踪补偿的OAM测量设备无关量子密钥分发系统，其特征在于，所述用户端Alice包括：第三望远镜系统，第一窄带滤波器，第一分束器，第一电荷耦合元件，第二延时器，第二偏振分束器，第一变形镜，第二变形镜，第一半波片，第一空间光调制器和第一强度调制器；

所述用户端Bob包括：第四望远镜系统，第二窄带滤波器，第二分束器，第二电荷耦合元件，第三延时器，第三偏振分束器，第三变形镜，第四变形镜，第二半波片，第二空间光调制器和第二强度调制器。

3.如权利要求2所述的一种实时跟踪补偿的OAM测量设备无关量子密钥分发系统，其特征在于，所述第一、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，所述第一、二变形镜和第三、四变形镜分别根据所述第一电荷耦合元件和第二电荷耦合元件提供的参考信息对波前相位进行畸变补偿。

4.如权利要求2所述的一种实时跟踪补偿的OAM测量设备无关量子密钥分发系统，其特征在于，所述第一、二空间光调制器与所述第一、二强度调制器对脉冲进行随机调制；

所述第一空间光调制器和第二空间光调制器对轨道角动量进行编码时，随机选择四个态中的一个进行编码；其中{|o|＞，|e＞}为X基；为Y基；|o＞和代表比特0；|e＞和代表比特1；|o＞和|e＞分别代表拓扑荷数为奇数和偶数的轨道角动量态；所述第一、二强度调制器精确产生不同平均光子数强度的诱骗态和信号态光子。

5.如权利要求1所述的一种实时跟踪补偿的OAM测量设备无关量子密钥分发系统，其特征在于，所述M-Z干涉仪包括第二50:50分束器、第三50:50分束器、第五反射镜、第六反射镜、第一达夫棱镜和第二达夫棱镜。

6.如权利要求1所述的一种实时跟踪补偿的OAM测量设备无关量子密钥分发系统，其特征在于，所述用户端Alice的第三望远镜系统接收来自测量单元的脉冲激光，经过第一窄带滤波器滤除通信波段以外的光，再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；所述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；所述下支路用于调制脉冲加载相位信息，依次连接第二延时器、第二偏振分束器、第一变形镜、第一半波片、第一空间光调制器、第一强度调制器和第二变形镜；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二偏振分束器，第二偏振分束器将脉冲激光反射至第一变形镜，第一变形镜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至第一半波片，第一半波片将其偏振态翻转90度后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，编码后的脉冲通过第一强度调制器被调制成不同平均光子数强度的轨道角动量信号态与诱骗态，经过第二变形镜进行相位校正，从第二偏振分束器透射，通过第二延时器、第一分束器和第一窄带滤波器到达第三望远镜系统，最后第三望远镜系统对信号态和诱骗态进行准直，发往测量单元。

7.如权利要求1所述的一种实时跟踪补偿的OAM测量设备无关量子密钥分发系统，其特征在于，所述用户端Bob的第四望远镜系统接收来自测量单元的脉冲激光，经过第二窄带滤波器滤除通信波段以外的光，再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；所述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；所述下支路用于调制脉冲加载相位信息，依次连接第三延时器、第三偏振分束器、第二变形镜、第二半波片、第二空间光调制器和第二强度调制器；分离到下支路的脉冲激光先进入第三延时器，经过一定的时延后进入第三偏振分束器，第三偏振分束器将脉冲激光反射至第二变形镜，第二变形镜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至第二半波片，第二半波片将其偏振态翻转90度后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，编码后的脉冲通过第一强度调制器被调制成不同平均光子数强度的轨道角动量信号态与诱骗态，经过第四变形镜进行相位校正，从第三偏振分束器透射，通过第三延时器、第二分束器和第二窄带滤波器到达第四望远镜系统，最后第四望远镜系统对信号态和诱骗态进行准直，发往测量单元。

8.如权利要求2所述的一种实时跟踪补偿的OAM测量设备无关量子密钥分发系统，其特征在于，所述第一延时器可在两臂之间造成一定延时，将两臂的脉冲分成时间模式不同的前后脉冲输出。

9.如权利要求1所述的一种实时跟踪补偿的OAM测量设备无关量子密钥分发系统，其特征在于，所述量子信道为自由空间信道或光纤信道。