一種基於軌道角動量編碼的量子密鑰分發方法及系統的製作方法

2023-07-27 23:42:36

一種基於軌道角動量編碼的量子密鑰分發方法及系統的製作方法
【專利摘要】本發明提供了一種基於軌道角動量編碼的量子密鑰分發方法和系統。在量子密鑰編碼發射端通過採用軌道角動量糾纏態作為信息編碼的載體，並通過空間光調製器實現軌道角動量的動態調製，輸出穩定的量子編碼；在接收端利用空間光調製器和符合計數測量裝置可以穩定快速的測量接收到的量子信息並最終通過公共信道上編碼基和測量基的比對，準確解碼出量子比特編碼信息。本發明提出的量子密鑰的調製與解調過程功能高度集成，可以方便地進行信息的實時發送和接收，系統高效、穩定，另外本發明利用Bell-CHSH不等式的違背驗證可以對竊聽者的竊聽行為進行實時判定，保證了高度安全的量子密鑰分發。
【專利說明】一種基於軌道角動量編碼的量子密鑰分發方法及系統

【技術領域】
[0001] 本發明涉及量子密碼與光通信【技術領域】，具體涉及一種基於軌道角動量編碼的量 子密鑰分發方法及系統。

【背景技術】
[0002] 量子密鑰分發系統常用於加載量子編碼信息的有偏振、相位等物理量。在基於偏 振編碼的量子密鑰分發系統中，量子信息被編碼在光子的偏振態上，偏振態通常需要利用 鈮酸鋰等電光晶體進行調製，由於電光晶體較高的半波電壓調製要求，因此在實際使用過 程中受到很大的限制。另一方面，電光晶體還存在著調製速率不高的問題，這進一步影響到 了量子密鑰分發的成碼率。此外，在量子信號的傳輸過程中，由於在光纖中不可避免的存在 雙折射及色散等幹擾，偏振編碼的量子信息很容易受到外界環境的影響，長距離傳輸後會 導致較高的誤碼率。因此，基於偏振編碼的量子密鑰分發麵臨著成碼率不高，傳輸距離有限 的問題。為了解決偏振編碼存在的問題，人們又將光子的相位信息應用到量子密鑰分發的 編碼之中，相位編碼利用兩束相干光脈衝在馬赫-曾德爾幹涉儀中進行幹涉，最終在幹涉 儀的輸出端由兩束光的幹涉對比度信息解碼出編碼信息。相位編碼較好的克服了量子信息 在光纖傳輸中容易受到環境幹擾的缺點，然而這種相干性在信息的發送端和接收端仍會受 到器件的制約，特別是對馬赫-曾德爾幹涉儀的穩定性提出了嚴格的要求，因此其應用受 到了一定的限制。
[0003] 研宄發現，除了偏振、相位等物理量之外，光子還可以攜帶一種叫做軌道角動量的 自由度。與偏振、相位等物理量不同，攜帶軌道角動量的光束具有螺旋型波前和光學奇點， 並具有獨特的軌道角動量的量子拓撲結構特性，其獨特的光學特性可以提高信息編碼的安 全性與調製能力，因此在量子信息以及光通信中具有重大的研宄價值。目前，一種基於單光 子軌道角動量的量子密鑰分發方案得到了報導，該方案通過利用不同階軌道角動量的正交 特性進行信息的編解碼，提高了光子的利用效率和系統的安全性，然而在其編碼發射端，編 碼信息需要依賴兩個可以發射攜帶不同軌道角動量光子的雷射器，由於受到軌道角動量產 生技術的制約，這種光子的產生效率並不高，且很難達到單光子的水平，這導致了系統誤碼 率的增加，並存在被偷聽者竊聽的風險，此外，在其解碼端同樣需要使用一個馬赫-曾德幹 涉儀，因此也增加了其在通信中的應用難度。一種基於自旋-軌道角動量混合調製的量子 密鑰分發系統也得到了報導，該系統利用混合的自旋-軌道角動量糾纏光子對作為編碼信 息的載體，並利用符合測量單元作為信息的解碼裝置，提高了系統的安全性，然而混合糾纏 光源的核心產生器件q-plate目前還處於實驗室研發階段，其製作工藝複雜，成本較高且 轉化效率還不是很理想，這也限制了該系統的應用，另外，在系統的解調端，由於其解碼的 符合特性曲線為一個連續曲線，因此符合計數的微小偏離都會帶來較高的誤碼率，由於信 息發送者和接收者之間沒有通信信道進行通信，該部分誤碼信息將無法有效消除。


【發明內容】

[0004] 本發明的目的在於：提供一種結構簡單、穩定快速的基於軌道角動量編碼的量子 密鑰分發方法和系統。
[0005] 為了解決上述技術問題，本發明提供了一種基於軌道角動量編碼的量子密鑰分發 系統，其包括密鑰發送端和密鑰接收端，所述密鑰發送端包括，依次連結的雷射器、聚焦透 鏡、BBO晶體、分束器、第一空間光調製器和第一濾波片，還包括第一計算機，所述第一計算 機的一端與所述第一空間光調製器連接且另一端通過單模光纖與公共信道連接；所述密 鑰接收端包括，依次連接的第二空間光調製器、第二濾波片、第一單光子探測器和符合計數 器，所述第二空間光調製器與所述分束器連接，還包括連接於所述第一濾波片與所述符合 計數器之間的第二單光子探測器，還包括第二計算機，所述第二計算機的一端與所述第二 空間光調製器連接且另一端通過單模光纖與所述公共信道連接，所述符合計數器與所述第 二計算機連接；
[0006] 所述雷射器作為泵浦光源，用於泵浦產生高斯光；所述聚焦透鏡用於聚焦雷射光 束；所述BBO晶體用於參量下轉換產生信號光子和閒置光子，產生的光子對糾纏於軌道角 動量自由度；所述分束器用於將參量下轉換產生信號光子和閒置光子分兩路輸出；所述第 一空間光調製器用於調製入射的信號光子，進行量子比特的編碼，經調製的信號光子以基 模高斯光的模式輸出；所述第一計算機用於實時調製第一空間光調製器上的入射信號光子 的軌道角動量態，並用於進行編碼基和測量基的比對；所述第一濾波片用於濾掉信號光子 中未轉換的殘留光子；所述信號光子通過單模光纖傳送到所述第二單光子探測器；所述分 束器將所述閒置光子通過自由空間傳動送所述第二空間光調製器；
[0007] 所述第二空間光調製器用於調製閒置光子軌道角動量態，進行閒置光子軌道角動 量態的測量；所述第二計算機用於實時調製第二空間光調製器上入射閒置光子的軌道角動 量態，並用於進行編碼基和測量基的比對；所述第二濾波片用於濾掉閒置光子中未轉換的 殘留光子；所述閒置光子通過單模光纖傳送到所述第一單光子探測器；所述第一單光子探 測器用於探測單模光纖傳送的調製閒置光子，並記錄單位時間內到達的閒置光子數目；所 述第二單光子探測器用於探測單模光纖傳送的調製信號光子，並記錄單位時間內到達的信 號光子數目；所述符合計數器用於接收第一單光子探測器和第二單光子探測器所傳送的探 測信號並產生符合測量計數，並將計數結果傳送給第二計算機。
[0008] 所述BBO晶體的化學式為e -BaB204,滿足I類相位匹配條件。
[0009] 所述第一空間光調製器和所述第二空間光調製器為純相位液晶反射型。
[0010] 所述第一單光子探測器和所述第二單光子探測器為蓋革模式的Si-APD，工作在 可見光波段。
[0011] 所述雷射器所產生的高斯光為紫外光波段。
[0012] 為了解決上述技術問題，本發明還提供了一種基於軌道角動量編碼的量子密鑰分 發方法：包括軌道角動量的比特編碼方法和量子比特解調方法；
[0013] 所述軌道角動量的比特編碼方法包括以下步驟：
[0014] ①軌道角動量糾纏態製備：雷射器所產生的雷射經聚焦透鏡聚焦後正入射到BBO 晶體中，產生糾纏於軌道角動量自由度的信號光子和閒置光子；信號光子和閒置光子通過 分束器分兩路輸出，信號光子入射第一空間光調製器，閒置光子通過自由空間入射第二空 間光調製器；
[0015] ②信號光子軌道角動量編碼調製：選擇四種不同的軌道角動量糾纏態組成兩套基 矢，密鑰發送端從所述兩套基矢中隨機選取一套作為編碼基，並通過第一計算機控制第一 空間光調製器將信號光子隨機的調製為該組基所屬的一種軌道角動量態，調製信號光子的 編碼比特信息，其中，每套基矢包括兩個正交的軌道角動量糾纏態，兩個量子態分別代表編 碼信息〇和1 ;
[0016] ③調製編碼的發射：將編碼信號光子經第一濾波片濾波後耦合到單模光纖中，發 射基模高斯模式的量子態編碼；
[0017] 所述量子比特解調方法包括以下步驟：
[0018] ①閒置光子軌道角動量測量調製：密鑰接收端從所述兩套基矢中隨機選取一套作 為測量基，並通過第二計算機控制第二空間光調製器將閒置光子隨機的調製為該組基所屬 的一種軌道角動量態，進行量子信息的測量，調製閒置光子經濾波片濾波後耦合進單模光 纖進行發送；
[0019] ②信號光子與閒置光子的符合計數測量：第一單光子探測器探測並記錄單位時間 內到達的閒置光子數目，第二單光子探測器探測並記錄單位時間內到達的信號光子數目， 符合計數器分別接收第一單光子探測器和第二單光子探測器所傳送的探測信號並進行符 合計數測量，並將符合計數測量結果傳送給第二計算機；
[0020] ③編碼基與測量基比對：第一計算機與第二計算機在公共信道上進行編碼基與測 量基比對，當編碼基與測量基相同，則第二計算機保留該次符合計數測量結果；當編碼基與 測量基不同，則第二計算機捨棄該次符合計數測量結果並通過公共信道告知第一計算機；
[0021] ④密碼比特的建立：第二計算機根據所述符合計數測量結果建立量子密碼比特序 列。
[0022] 優選地，本發明在所述編碼基與測量基比對步驟之後，還包括利用Bell-CHSH不 等式的違背驗證、實時判定竊聽者的竊聽行為的步驟：密鑰發送端和密鑰接收端取出一部 分數據進行Bell-CHSH不等式的計算，當糾纏態的Bell係數| S |彡2,則通信將取消；當糾 纏態的Bell係數|S| >2,則密鑰發送端和密鑰接收端共享密鑰及成碼。

【權利要求】
1. 一種基於軌道角動量編碼的量子密鑰分發系統，其特徵在於：包括密鑰發送端和密 鑰接收端； 所述密鑰發送端包括，依次連結的雷射器、聚焦透鏡、BBO晶體、分束器、第一空間光調 制器和第一濾波片，還包括第一計算機，所述第一計算機的一端與所述第一空間光調製器 連接且另一端通過單模光纖與公共信道連接； 所述密鑰接收端包括，依次連接的第二空間光調製器、第二濾波片、第一單光子探測器 和符合計數器，所述第二空間光調製器與所述分束器連接，還包括連接於所述第一濾波片 與所述符合計數器之間的第二單光子探測器，還包括第二計算機，所述第二計算機的一端 與所述第二空間光調製器連接且另一端通過單模光纖與所述公共信道連接，所述符合計數 器與所述第二計算機連接； 所述雷射器作為泵浦光源，用於泵浦產生高斯光；所述聚焦透鏡用於聚焦雷射光束； 所述BBO晶體用於參量下轉換產生信號光子和閒置光子，產生的光子對糾纏於軌道角動量 自由度；所述分束器用於將參量下轉換產生信號光子和閒置光子分兩路輸出；所述第一空 間光調製器用於調製入射的信號光子，進行量子比特的編碼；所述第一計算機用於實時調 制第一空間光調製器上的入射信號光子的軌道角動量態，並用於進行編碼基和測量基的比 對；所述第一濾波片用於濾掉信號光子中未轉換的殘留光子；所述信號光子通過單模光纖 傳送到所述第二單光子探測器；所述分束器將所述閒置光子通過自由空間傳送到所述第二 空間光調製器； 所述第二空間光調製器用於調製閒置光子軌道角動量態，進行閒置光子軌道角動量態 的測量；所述第二計算機用於實時調製第二空間光調製器上入射閒置光子的軌道角動量 態，並用於進行編碼基和測量基的比對；所述第二濾波片用於濾掉閒置光子中未轉換的殘 留光子；所述閒置光子通過單模光纖傳送到所述第一單光子探測器；所述第一單光子探測 器用於探測單模光纖傳送的調製閒置光子，並記錄單位時間內到達的閒置光子數目；所述 第二單光子探測器用於探測單模光纖傳送的調製信號光子，並記錄單位時間內到達的信號 光子數目；所述符合計數器用於接收第一單光子探測器和第二單光子探測器所傳送的探測 信號並產生符合測量計數，並將計數結果傳送給第二計算機。
2. 根據權利要求1所述的一種基於軌道角動量編碼的量子密鑰分發系統，其特徵在 於：所述BBO晶體的化學式為0 -BaB204,滿足I類相位匹配條件。
3. 根據權利要求1所述的一種基於軌道角動量編碼的量子密鑰分發系統，其特徵在 於：所述第一空間光調製器和所述第二空間光調製器為純相位液晶反射型。
4. 根據權利要求1所述的一種基於軌道角動量編碼的量子密鑰分發系統，其特徵在 於：所述第一單光子探測器和所述第二單光子探測器為蓋革模式的Si-APD，工作在可見光 波段。
5. 根據權利要求1一4任一項所述的一種基於軌道角動量編碼的量子密鑰分發系統， 其特徵在於：所述雷射器所產生的高斯光為紫外光波段。
6. -種基於軌道角動量編碼的量子密鑰分發方法，其特徵在於：包括軌道角動量的比 特編碼方法和量子比特解調方法； 所述軌道角動量的比特編碼方法包括以下步驟： ①軌道角動量糾纏態的製備：雷射器所產生的雷射經聚焦透鏡聚焦後正入射到BBO晶 體中，產生糾纏於軌道角動量自由度的信號光子和閒置光子；信號光子和閒置光子通過分 束器分兩路輸出，信號光子入射第一空間光調製器，閒置光子通過自由空間入射第二空間 光調製器； ② 信號光子軌道角動量編碼調製：選擇四種不同的軌道角動量糾纏態組成兩套基矢， 密鑰發送端從所述兩套基矢中隨機選取一套作為編碼基，並通過第一計算機控制第一空間 光調製器將信號光子隨機的調製為該組基所屬的一種軌道角動量態，調製信號光子的編碼 比特信息，其中，每套基矢包括兩個正交的軌道角動量糾纏態，兩個量子態分別代表編碼信 息O和1 ; ③ 調製編碼的發射：將編碼信號光子經第一濾波片濾波後並耦合到單模光纖中，發射 基模高斯模式的量子態編碼； 所述量子比特解調方法包括以下步驟： ① 閒置光子軌道角動量測量調製：密鑰接收端從所述兩套基矢中隨機選取一套作為測 量基，並通過第二計算機控制第二空間光調製器將閒置光子隨機的調製為該組基所屬的一 種軌道角動量態，進行量子信息的測量，調製閒置光子經濾波片濾波後耦合進單模光纖進 行發送； ② 信號光子與閒置光子的符合計數測量：第一單光子探測器探測並記錄單位時間內到 達的閒置光子數目，第二單光子探測器探測並記錄單位時間內到達的信號光子數目，符合 計數器分別接收第一單光子探測器和第二單光子探測器所傳送的探測信號並進行符合計 數測量，並將符合計數測量結果傳送給第二計算機； ③ 編碼基與測量基比對：第一計算機與第二計算機在公共信道上進行編碼基與測量基 比對，當編碼基與測量基相同，則第二計算機保留該次符合計數測量結果；當編碼基與測量 基不同，則第二計算機捨棄該次符合計數測量結果並通過公共信道告知第一計算機； ④ 密碼比特的建立：第二計算機根據所述符合計數測量結果建立量子密碼比特序列。
7. 根據權利要求6所述的一種基於軌道角動量編碼的量子密鑰分發方法，其特徵在 於：在所述編碼基與測量基比對步驟之後，還包括利用Bell-CHSH不等式的違背驗證、實時 判定竊聽者的竊聽行為的步驟：密鑰發送端和密鑰接收端取出一部分數據進行Bell-CHSH 不等式的計算，當糾纏態的Bell係數|S| 2,則密鑰發送端和密鑰接收端共享密鑰及成碼。
8. 根據權利要求6- 7任一項所述的一種基於軌道角動量編碼的量子密鑰分發
所述第二計算機根據符合計數測量結果建立量子密碼比特序列的具體方法為：如果符 合計數結果為"〇"，則密鑰接收端可以推斷出密鑰發送端編碼的軌道角動量態與自己調製 的量子態之間相互正交；如果符合計數結果為"0. 5"，則密鑰接收端可以推斷出密鑰發送 端編碼的軌道角動量態與自己調製的量子態相同。
【文檔編號】H04L9/08GK104506309SQ201410834440
【公開日】2015年4月8日 申請日期:2014年12月26日 優先權日:2014年12月26日
【發明者】郭邦紅, 張程賢, 郭建軍, 範榕華, 張文杰 申請人:華南師範大學