一種m-z型軌道角動量糾纏密鑰分發(fā)方法與網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及自由空間通信與量子通信網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域，具體地設(shè)及一種M-Z型軌道角動 量糾纏密鑰分發(fā)方法與網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 傳統(tǒng)密碼技術(shù)的安全性由數(shù)學(xué)上的計算復(fù)雜度來保證，但隨著目前計算能力的進 步和提高，傳統(tǒng)密碼技術(shù)的安全性受到巨大威脅。而量子密碼技術(shù)的安全性不依賴于計算 的復(fù)雜度，其安全性W量子力學(xué)的海森堡測不準(zhǔn)原理和未知量子態(tài)不可克隆原理為依據(jù)。 量子密鑰分發(fā)（如antum Key Dist;ribution，QKD)是W量子力學(xué)基本原理為基礎(chǔ)，讓處于不 同地理位置的合法參與者（通常用Alice和Bob表示）分享密鑰，而且在理論上是具有無 條件安全性的。
[0003] 在QKD光通信中，目前信息載體大多數(shù)是采用微弱光脈沖的偏振或相位。利用 微弱光脈沖的偏振或相位只能實現(xiàn)二進制數(shù)據(jù)的傳輸。與運些自由度相比，軌道角動量 (化bital Angular Momentum, 0AM)是一個新的自由度并可W作為數(shù)據(jù)信息載體。1992年， 荷蘭萊頓大學(xué)的Alien團隊從理論上證明光子中含有確定的軌道角動量化。光的OAM和 復(fù)電場相位角有關(guān)，OAM來源于繞傳播方向的相位波前。一個光子OAM值為化對應(yīng)螺旋形 等相位面，螺旋相位項為expaid))，！為OAM拓撲荷，1的正負代表旋轉(zhuǎn)方向不同，d)為 極坐標(biāo)系中的極角。由于1可W取任意整數(shù)，所W單光子有無數(shù)個OAM正交本征態(tài)，即光 子OAM具有高維特性。因此，若W光子OAM作為信息的載體來編碼信息可W實現(xiàn)一個高維 的HHbed空間中多位量子態(tài)編碼（qubits)，能夠顯著增大光子攜帶信息容量，提高編碼 安全性。
[0004] 在QKD系統(tǒng)中，編碼量子信息的載體分為單光子和糾纏光子對兩種類型。由于糾 纏光子對之間有較強的糾纏相關(guān)性，所W基于糾纏光子對的量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)具有更好的 安全特性。2001年，Mair團隊在實驗上證明了自發(fā)參量下轉(zhuǎn)換過程可W產(chǎn)生雙光子OAM糾 纏態(tài)。但目前大部分基于OAM的QKD是點對點應(yīng)用，無法直接拓展到多用戶網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，運成 為限制其走向大規(guī)模應(yīng)用的重要滯礙之一。
[0005] 目前已有的Q邸網(wǎng)絡(luò)主要采用基于光學(xué)節(jié)點和可信中繼的網(wǎng)絡(luò)，其中光學(xué)節(jié)點可 W采用光開關(guān)、分光器、波分復(fù)用器或者其他光學(xué)被動器件，基于可信中繼的難點在于保持 中繼的可靠性，而且運些Q邸網(wǎng)絡(luò)器件的選擇是針對相位或者偏振等其他自由度的。對于 OAM自由度，目前最常用的QKD網(wǎng)絡(luò)器件是達曼光柵，但達曼光柵制作復(fù)雜，對材料要求精 準(zhǔn)，OAM自由度被破壞只能用來復(fù)用多信道，不能利用OAM來編解碼。當(dāng)前，攜帶光束旋轉(zhuǎn) 器的M-Z干設(shè)儀結(jié)構(gòu)簡單，不僅可W分離奇數(shù)和偶數(shù)0AM，而且沒有破壞OAM自由度，從而， 我們利用此裝置既可W復(fù)用信道，還可W用OAM自由度來編解碼進行大容量多用戶的量子 網(wǎng)絡(luò)通信。因此，如何設(shè)計一個基于OAM糾纏且簡單的多用戶量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)就顯得十 分重要，其中，特別是不同通信安全級別的區(qū)域間一對二的網(wǎng)絡(luò)通信，如同城經(jīng)濟圈數(shù)據(jù)服 務(wù)、一校=區(qū)等區(qū)域之間的安全通信。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種M-Z型軌道角動量糾纏密鑰 分發(fā)方法與網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。
[0007] 本發(fā)明的技術(shù)方案是運樣實現(xiàn)的：一種M-Z型軌道角動量糾纏密鑰分發(fā)網(wǎng)絡(luò)系 統(tǒng)，包括Alice控制端、M-Z型復(fù)用單元和Bob用戶端，
[0008] 所述Alice控制端包括糾纏產(chǎn)生單元、調(diào)制單元和符合測量單元，所述糾纏產(chǎn)生 單元包括累浦光源LD、第一全反射鏡和BBO晶體；
[0009] 所述M-Z型復(fù)用單元包括第一復(fù)用模塊和第二復(fù)用模塊，其中所述第一復(fù)用模塊 包括第一分束器BS、第二分束器BS、第一光束旋轉(zhuǎn)器BR和第二至第五共四個全反射鏡；所 述第二復(fù)用模塊包括第=分束器BS、第四分束器BS、第二光束旋轉(zhuǎn)器BR和第六至第九共四 個全反射鏡；
[0010] 所述Bob用戶端包括Bob 1和Bob2用戶；
[0011] 所述累浦光源LD產(chǎn)生累浦激光脈沖，所述激光脈沖經(jīng)第一全反射鏡改變傳播方 向后輸入到BBO晶體中，在所述BBO晶體參量下轉(zhuǎn)換過程產(chǎn)生攜帶奇偶拓撲荷OAM糾纏態(tài) 的信號光和閑置光并分成兩光路：信號光路和閑置光路；
[0012] 所述信號光路路線：從所述BBO晶體輸出的攜帶奇偶拓撲荷OAM糾纏態(tài)的激光脈 沖依次輸入到所述第二全反射鏡，然后改變光路后進入到所述第一分束器BS，接著信號光 W 50 :50的比例分成兩束，其中一束信號光經(jīng)過第四全反射鏡改變傳播方向后直接傳輸?shù)?第二分束器BS，另一束信號光經(jīng)過第S全反射鏡改變光路后經(jīng)過第一光束旋轉(zhuǎn)器BR也同 時進入到第二分束器BS ;所述兩束信號光在所述第二分束器處BS處發(fā)生干設(shè)，干設(shè)后出射 的兩束光分別進入到所述調(diào)制單元，最后進入到所述符合測量單元進行測量；
[0013] 所述閑置光路路線：從所述BBO晶體輸出的攜帶奇偶拓撲荷OAM糾纏態(tài)的激光脈 沖依次輸入到所述第六全反射鏡然后改變光路后進入到第=分束器BS，接著閑置光W 50 : 50比例分成兩束，其中一束閑置光經(jīng)過第八全反射鏡改變傳播方向后直接傳輸?shù)剿龅?四分束器BS，另一束閑置光經(jīng)過第屯全反射鏡改變光路后經(jīng)過第二光束旋轉(zhuǎn)器BR也同時 進入所述第四分束器BS ;然后所述兩束閑置光在所述第四分束器BS處發(fā)生干設(shè)，干設(shè)后出 射的兩束光分別進入到Bob用戶端，最后與所述信號光一起進入到所述符合測量單元進行 測量。
[0014] 具體地，所述調(diào)制單元包括并列的第S和第四計算機控制的空間光調(diào)制器SLM W 及并列的第S和第四兩條單模光纖SMF，其中所述第S計算機控制的空間光調(diào)制器SLM與 第S單模光纖SMF連接，所述第四計算機控制的空間光調(diào)制器SLM與第四單模光纖SMF連 接；所述第S計算機控制的空間光調(diào)制器SLM直接與所述第二分束器BS連接，所述第S單 模光纖SMF與所述符合測量單元連接；所述第四計算機控制的空間光調(diào)制器SLM通過第五 全反射鏡與所述第二分束器BS連接，所述第四單模光纖SMF與所述符合測量單元連接。
[0015] 具體地，所述Bobl用戶包括第二計算機控制的空間光調(diào)制器SLM和與其連接的第 二單模光纖SMF ;所述Bob2用戶包括第一計算機控制的空間光調(diào)制器SLM和與其連接的第 一單模光纖SMF ;所述第二計算機控制的空間光調(diào)制器SLM通過第九全反射鏡與所述第四 分束器BS連接，第二單模光纖SMF與所述符合測量單元連接；所述第一計算機控制的空間 光調(diào)制器SLM與所述第四分束器BS連接，第一單模光纖SMF與所述符合測量單元連接。
[0016] 優(yōu)選地，所述符合測量單元包括第一至第四共四個單光子探測器W及第一符合計 數(shù)器和第二符合計數(shù)器；所述信號光路路線和閑置光路路線進入所述符合測量單元時的具 體光路路線如下：
[0017] 信號光路路線：從所述BBO晶體輸出的攜帶偶拓撲荷OAM糾纏態(tài)的激光脈沖依次 輸入到所述第一復(fù)用模塊、第S計算機控制的空間光調(diào)制器SLM、第S單模光纖SMF、第一 單光子探測器最后將其探測結(jié)果輸入到所述第一符合計數(shù)器中；從所述BBO晶體輸出的攜 帶奇拓撲荷OAM糾纏態(tài)的激光脈沖依次輸入到所述第一復(fù)用模塊、第四計算機控制的空間 光調(diào)制器SLM、第四單模光纖SMF、第S單光子探測器最后將其探測結(jié)果輸入到所述第二符 合計數(shù)器中；
[001引閑置光路路線：從所述BBO晶體輸出的攜帶偶拓撲荷OAM糾纏態(tài)的激光脈沖依次 輸入到所述第二復(fù)用模塊、第一計算機控制的空間光調(diào)制器SLM、第一單模光纖SMF、第二 單光子探測器最后將其探測結(jié)果輸入到所述第一符合計數(shù)器中；從所述BBO晶體輸出的攜 帶奇拓撲荷OAM糾纏態(tài)的激光脈沖依次輸入到所述第二復(fù)用模塊、第二計算機控制的空間 光調(diào)制器SLM、第二單模光纖SMF、第四單光子探測器最后將其探測結(jié)果輸入到所述第二符 合計數(shù)器中。
[0019] 一種M-Z型軌道角動量糾纏密鑰分發(fā)方法，包括上述所述的M-Z型軌道角動量糾 纏密鑰分發(fā)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，其包括W下步驟：
[0020] SI.奇偶拓撲荷OAM糾纏光脈沖的產(chǎn)生：累浦光源LD產(chǎn)生激光脈沖，所述激光脈 沖經(jīng)第一全反射鏡改變傳播方向后垂直照射BBO晶體，通過BBO晶體參量下轉(zhuǎn)換產(chǎn)生攜帶 奇偶拓撲荷OAM糾纏態(tài)的信號光和閑置光； 陽02U S2. OAM糾纏的M-Z型復(fù)用：在信號光光路和閑置光光路中分別用攜帶光束旋轉(zhuǎn)器 BR的M-Z干設(shè)儀對OAM拓撲荷為奇數(shù)和偶數(shù)的糾纏態(tài)進行分離；
[0022] S3.奇偶拓撲荷OAM調(diào)制：Alice控制端中的調(diào)制單元根據(jù)OAM拓撲荷奇偶不同分 別對信號光攜帶的OAM進行調(diào)制，加載編碼信息，并將編碼信息發(fā)送給所述符合測量單元； 陽02引 S4.兩Bob用戶OAM調(diào)制：在閑置光路中，Bobl用戶對OAM拓撲荷為奇數(shù)的閑置光 攜帶的軌道角動量態(tài)進行調(diào)制，加載編碼信息，并將編碼的信息發(fā)送給符合測量單元；Bob2 用戶對OAM拓撲荷為偶數(shù)的閑置光攜帶的軌道角動量態(tài)進行調(diào)制，加載編碼信息，并將編 碼的信息發(fā)送給符合測量單元；
[0024] S5.密鑰分配與共享：Alice控制端根據(jù)需要選取不同的合法通信用戶，通過單 光子探測器記錄下單位時間內(nèi)到達的相同OAM拓撲荷的信號光子和閑置光子，并將記錄下 的探測數(shù)據(jù)發(fā)送到符合計數(shù)器，最后符合計數(shù)器將相同OAM拓撲荷的探測數(shù)據(jù)進行符合測 量，根據(jù)符合