一種自旋-軌道角動量混合調製量子密鑰分發方法及系統的製作方法

2023-07-10 23:50:46

一種自旋-軌道角動量混合調製量子密鑰分發方法及系統的製作方法
【專利摘要】本發明提供一種自旋-軌道角動量混合調製量子密鑰分發方法及系統，包括混合自旋-軌道角動量產生單元、自旋角動量調製單元、軌道角動量調製單元和符合測量解碼單元。所述混合自旋-軌道角動量產生單元用於產生自旋角動量和軌道角動量混合糾纏量子態；所述自旋角動量調製單元用於對信號光子自旋角動量進行相位偏轉調製，所述軌道角動量調製單元用於對閒置光子軌道角動量進行相位偏轉調製，加載編碼信息；所述符合測量解碼單元用於對信號光子和閒置光子進行符合測量解碼量子比特信息。本發明提高了量子密鑰分發系統的安全性，實現了大容量的量子編碼，獲得了高效編碼的量子密鑰分發系統，且結構簡單、安全性高。
【專利說明】-種自旋-軌道角動量混合調製量子密鑰分發方法及系統

【技術領域】
[0001] 本發明涉及量子保密通信領域，特別涉及一種自旋-軌道角動量混合調製量子密 鑰分發方法及系統。

【背景技術】
[0002] 量子密鑰分發（Quantum Key Distribution, QKD)是一種被證明了的絕對安全的 密碼通信方式，它以量子態作為量子信息的載體編碼量子比特，在保密通信合法用戶之間 建立起密鑰共享，其安全性由量子力學原理保證。量子密鑰分發系統中，編碼量子信息的載 體可以分為單光子和糾纏光子對兩種類型。由於糾纏光子對之間有較強的糾纏聯繫，基於 糾纏光子對的量子密鑰分發系統具有更好的安全特性。
[0003] 研究發現，光子可以攜帶自旋角動量（SAM)和軌道角動量（0ΑΜ)這兩種角動量。自 旋角動量與光子的圓偏振態有關，左旋圓偏振態|L〉和右旋圓偏振態|R〉作為自旋算符的 本徵態，分別攜帶有的自旋角動量，利用光子的自旋角動量只能實現一個量子位的編碼 (對應一個二維希爾伯特空間）；與自旋角動量不同的是，軌道角動量來源於光子的螺旋相 位，對應軌道角動量本徵態|m〉，m為軌道角動量特徵量子數，由於不同階軌道角動量相互 正交，m在理論上允許取任意整數，利用光子的軌道角動量可以實現一個高維希爾伯特空間 的量子位編碼，能夠顯著增大光子攜帶信息容量，提高編碼安全性。
[0004] 目前，一些利用光子軌道角動量作為信息載體的量子密鑰分發系統已被提出，然 而，這些系統的共同點是利用"相互無偏基"方式進行編碼，這種編碼模式可以看作是BB84 協議的擴展，在這種通信協議下，通信雙方通常還需要一條經典信道用來對比發送基和測 量基，當雙方選取的基不相同時，密鑰信息將被捨棄掉。因此，基於"相互無偏基"編碼協議 的系統一方面存在信息損失導緻密鑰生成效率降低的問題，另一方面經典信道的設計也增 加了通信系統結構的複雜度。一種基於軌道角動量糾纏的量子密鑰分發系統也受到關注， 它利用產生的軌道角動量糾纏信號光子和閒置光子來進行編碼，採用符合測量的方法來解 調糾纏光子對上的信息。這種系統克服了上述"相互無偏基"系統存在的光子利用率低，密 鑰生成效率不高的缺點，並且不需要再額外設計一條經典信道，但該系統在糾纏光源製備 端，對泵浦光源的波長、頻率及功率要求嚴格，此外，在調製解調中需要多個空間光調製器 (Spatial Light Modulator, SLM)進行糾纏光子對的軌道角動量調製，導致系統結構複雜， 成本較高。


【發明內容】

[0005] 本發明的目的在於：提供一種編碼信息容量大、結構簡單、安全性高的自旋-軌道 角動量混合調製量子密鑰分發方法及系統。
[0006] 為了解決上述技術問題，本發明提供了一種自旋-軌道角動量混合調製量子密鑰 分發方法，包括混合自旋-軌道角動量產生、自旋角動量調製、軌道角動量調製和符合測量 解碼；
[0007] 所述混合自旋-軌道角動量產生包含以下步驟：
[0008] ①自旋糾纏光子產生：產生自旋角動量糾纏的信號光子和閒置光子；
[0009] ②軌道糾纏轉化：將閒置光子的自旋角動量自由度向軌道角動量自由度轉化；
[0010] ③混合糾纏產生：隔離信號光子和閒置光子之間可能存在的軌道角動量糾纏串 擾，實現信號光子自旋角動量和閒置光子軌道角動量的相互糾纏；
[0011] 所述自旋角動量調製包含以下步驟：
[0012] ①相位偏轉調製：對信號光子左旋圓偏振態|L〉和右旋圓偏振態|R〉的疊加態進 行相位偏轉調製；
[0013] ②偏振篩選：對水平偏振、垂直偏振的信號光子進行篩選；
[0014] ③耦合發送：將信號光子耦合進單模光纖，發送至符合測量單元；
[0015] 所述軌道角動量調製包含以下步驟：
[0016] ①相位偏轉調製：調製相位全息圖，對閒置光子軌道角動量態|m = +2〉和|m =-2〉的疊加態進行相位偏轉調製；
[0017] ②量子比特編碼：對閒置光子軌道角動量進行量子比特編碼；
[0018] ③密鑰發送：將量子比特編碼信息發送至符合測量單元；
[0019] 所述符合測量解碼包括以下步驟：
[0020] ①符合測量：單光子探測器將記錄下的探測數據發送到符合計數器進行符合測 量；
[0021] ②比特信息確定：依據符合測量值決定所編碼的比特信息；
[0022] ③密碼序列建立：分析測量結果，建立隨機密碼序列。
[0023] 本發明的又一目的在於：採用上述方法的自旋-軌道角動量混合調製量子密鑰分 發系統，其包括混合自旋-軌道角動量產生單元、自旋角動量調製單元、軌道角動量調製單 元和符合測量解碼單元，所述混合自旋-軌道角動量產生單元用於產生自旋角動量和軌道 角動量混合糾纏量子態，所述自旋角動量調製單元用於對信號光子自旋角動量進行相位偏 轉調製，軌道角動量調製單元用於對閒置光子軌道角動量進行相位偏轉調製，加載編碼信 息，所述符合測量解碼單元用於對信號光子和閒置光子進行符合測量解碼量子比特信息。
[0024] 所述混合自旋-軌道角動量產生單元包括泵浦光源、ΒΒ0晶體（β相偏硼酸鋇晶 體，化學式為β _BaB204)、單模光纖和q-plate相位板，所述ΒΒ0晶體與所述泵浦光源連接， 用於產生信號光子與閒置光子自旋糾纏光子對，所述單模光纖用於隔離軌道角動量糾纏串 擾，所述q-plate相位板用於實現光子自旋角動量向軌道角動量自由度轉化。
[0025] 所述自旋角動量調製單元包括半波片、偏振分束器（Polarization Beam Splitter，PBS)和單模光纖，所述半波片用於對信號光子進行相位偏轉調製，所述偏振分束 器對信號光子用於進行偏振篩選，所述單模光纖用於對信號光子耦合發送。
[0026] 所述的軌道角動量調製單元包括空間光調製器和單模光纖，所述空間光調製器用 於對閒置光子軌道角動量進行相位偏轉調製，所述單模光纖用於耦合發送基模高斯光。
[0027] 所述軌道角動量調製單元還包括計算機，所述計算機通過其DVI接口與所述空間 光調製器連接，所述計算機調製所述空間光調製器相位全息圖的輸出。
[0028] 所述符合測量解碼單元包括第一單光子探測器、第二單光子探測器和符合計數 器，所述第一單光子探測器用於記錄單位時間內到達的信號光子，所述第二單光子探測器 用於記錄單位時間內到達的閒置光子，所述符合計數器用於進行符合事件測量。
[0029] 所述泵浦光源為355nm紫外鎖模雷射器，其重複頻率為100MHz，平均功率為 150mw〇
[0030] 所述ΒΒ0為兩塊光軸相互垂直且粘合在一起的β相偏硼酸鋇晶體（化學式為 β -BaB204)，它們均被切割成I類匹配。
[0031] 所述單模光纖直徑為5微米，只允許耦合發送束腰較小的高斯模式光。
[0032] 所述q-plate相位板為一種單軸雙折射液晶，其z軸方向的固定相位延遲為π，光 軸取向固定參數q = 1，％ = 0。
[0033] 所述空間光調製器為液晶純相位反射型，其解析度為1920X1080,調製相位變化 範圍超過2 π弧度，灰度等級為8位，256階，圖像幀速率為60Hz，工作波段為400-1100nm。
[0034] 在實際應用中，混合自旋-軌道角動量產生方法具體如下：
[0035] ①自旋糾纏光子產生：將泵浦光正入射到ΒΒ0晶體中，在泵浦光的激勵下，ΒΒ0晶 體通過自發參量下轉換產生自旋角動量自由度糾纏的信號光子和閒置光子，其量子態為

【權利要求】
1. 一種自旋-軌道角動量混合調製量子密鑰分發系統，其特徵在於：包括混合自 旋-軌道角動量產生單元、自旋角動量調製單元、軌道角動量調製單元和符合測量解碼單 元，所述混合自旋-軌道角動量產生單元用於產生自旋角動量和軌道角動量混合糾纏量子 態，所述自旋角動量調製單元用於對信號光子自旋角動量進行相位偏轉調製，所述軌道角 動量調製單元用於對閒置光子軌道角動量進行相位偏轉調製及加載編碼信息，所述符合測 量解碼單元用於對信號光子和閒置光子進行符合測量解碼量子比特信息。
2. 根據權利要求1所述的一種自旋-軌道角動量混合調製量子密鑰分發系統，其特徵 在於：所述混合自旋-軌道角動量產生單元包括泵浦光源、BBO晶體、單模光纖和q-plate 相位板，所述BBO晶體與所述泵浦光源連接，用於產生信號光子與閒置光子自旋糾纏光子 對，所述單模光纖用於隔離軌道角動量糾纏串擾，所述q-plate相位板用於實現光子自旋 角動量向軌道角動量自由度轉化，產生的混合自旋-軌道角動量糾纏光子對的量子態可表 示為
，其中π表示自旋角動量，1表示軌道角 動量。
3. 根據權利要求2所述的一種自旋-軌道角動量混合調製量子密鑰分發系統，其特徵 在於：所述自旋角動量調製單元包括半波片、偏振分束器和單模光纖，所述半波片用於對信 號光子進行相位偏轉調製，所述偏振分束器對信號光子用於進行偏振篩選，調製信號光子 量子態偏轉為
所述單模光纖用於對調製信號光子進行耦 合發送； 所述軌道角動量調製單元包括空間光調製器和單模光纖，所述空間光 調製器用於調製入射閒置光子軌道角動量態相位偏轉，使其量子態偏轉為
*所述單模光纖用於對高斯模式閒置光子耦合發 送。
4. 根據權利要求3所述的一種自旋-軌道角動量混合調製量子密鑰分發系統，其特徵 在於：所述軌道角動量調製單元還包括計算機，所述計算機通過其DVI接口與所述空間光 調製器連接，所述計算機調製所述空間光調製器相位全息圖的輸出。
5. 根據權利要求3或4任一項所述的一種自旋-軌道角動量混合調製量子密鑰分發系 統，其特徵在於：所述符合測量解碼單元包括第一單光子探測器、第二單光子探測器和符合 計數器，所述第一單光子探測器用於記錄單位時間內到達的信號光子數並將其探測數據發 送至所述符合計數器，所述第二單光子探測器用於記錄單位時間內到達的閒置光子數並將 其探測數據發送至所述符合計數器，所述符合計數器用於進行符合測量。
6. -種自旋-軌道角動量混合調製量子密鑰分發方法，其特徵在於：包括混合自 旋-軌道角動量產生、自旋角動量調製、軌道角動量調製和符合測量解碼； 所述混合自旋-軌道角動量產生包括以下步驟： ①自旋糾纏光子產生：將泵浦光源正入射到ΒΒΟ晶體中，在泵浦光的激勵下，ΒΒΟ晶體 通過自發參量下轉換產生自旋角動量自由度糾纏的信號光子和閒置光子； ② 軌道糾纏轉化：q-plate相位板作用於閒置光子，將閒置光子的自旋角動量向軌道 角動量自由度轉化； ③ 混合糾纏產生：利用單模光纖只允許基模高斯光通過的特性，過濾出軌道角動量為 零的光子，隔離信號光子和閒置光子之間可能存在的軌道角動量糾纏串擾，獲得自旋-軌 道角動量混合糾纏量子態； 所述自旋角動量調製包括以下步驟： ① 相位偏轉調製：半波片和偏振分束器組成自旋角動量調製器，對信號光子進行相位 偏轉調製； ② 偏振篩選：偏振分束器篩選信號光子的IH〉水平偏振、IV〉垂直偏振，獲得IH〉水平 偏振光子輸出； ③ 耦合發送：信號光子耦合進單模光纖，發送至符合測量解碼單元； 所述軌道角動量調製包括以下步驟： ① 相位偏轉調製：計算機控制空間光調製器全息相位圖輸出，調製相位全息圖，對閒置 光子軌道角動量態|m = +2〉和|m = -2〉的疊加態進行相位偏轉調製； ② 量子比特編碼：對閒置光子軌道角動量態進行量子比特編碼，使入射閒置光子加載 偏轉相位信息，獲得高斯模式的反射光子； ③ 密鑰發送：利用單模光纖的微小纖芯特徵，過濾並輸出基模高斯模式的閒置光子，發 送至符合測量解碼單元。 所述符合測量解碼包括以下步驟： ① 符合測量：第一單光子探測器和第二單光子探測器分別記錄下單位時間內到達的信 號光子數和閒置光子數，並將記錄下的探測數據發送到符合計數器進行符合測量； ② 比特信息確定：根據符合測量結果恢復出編碼的密鑰； ③ 密碼序列建立：根據符合測量結果建立隨機秘密的序列作為密碼本。
7. 根據權利要求6所述的一種自旋-軌道角動量混合調製量子密鑰分發方法，其特徵 在於：在混合自旋-軌道角動量產生的自旋糾纏光子產生步驟中，所述自旋角動量自由度 糾纏的信號光子和閒置光子的量子態為
A和B分別代表信號光子和閒置光子，|L〉和|R〉分別表示左、右旋圓偏振態，其分別對 應攜帶±Λ的自旋角動量； 在混合自旋-軌道角動量產生的混合糾纏產生步驟中，自旋-軌道角動量混合糾纏量 子態為
π表示自旋角動量，1表示軌道角動量。
8. 根據權利要求7所述的一種自旋-軌道角動量混合調製量子密鑰分發方法，其特徵 在於：在自旋角動量調製的相位偏轉調製步驟中，還包括設置半波片取向角為
，對信 號光子左旋圓偏振態|L〉和右旋圓偏振態|R〉的疊加態進行相位偏轉調製，加載相位信息 信號光子量子態變為
其中Θ為變量。
9. 根據權利要求8所述的一種自旋-軌道角動量混合調製量子密鑰分發方 法，其特徵在於：在軌道角動量調製的量子比特編碼步驟中，所述偏轉相位信息為
，其中不同的偏轉角X對應不同的編碼比特。
10. 根據權利要求9所述的一種自旋-軌道角動量混合調製量子密鑰分發方法，其特徵 在於：在符合測量解碼的符合測量步驟中，依據信號光子和閒置光子的相位偏轉調製信息， 符合測量計數值滿足關係式P ( Θ，X )…cos2 (2 X - Θ ); 在符合測量解碼的比特信息的確定步驟中，所述根據符合測量結果恢復出編碼的密鑰 的具體方法為：相對符合計數值為" 1"，則解調編碼;相對符合計數值為"〇. 5"，則解調 編碼" 1";或者相對符合計數值為" 1"，則解調編碼"〇"，相對符合計數值為"〇. 5"，則解調編 碼" 1"，相對符合計數值為" 0 "，則解調編碼" 2 " ； 在符合測量解碼的密碼序列建立步驟中，所述隨機秘密的序列為〇、1或者〇、1、2。
【文檔編號】H04L9/08GK104092539SQ201410361012
【公開日】2014年10月8日 申請日期:2014年7月25日 優先權日:2014年7月25日
【發明者】郭邦紅, 張程賢, 程廣明, 郭建軍, 範榕華 申請人:華南師範大學