一種基于軌道角動量編碼的量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實用新型涉及量子密碼與光通信技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于軌道角動量編碼 的量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)常用于加載量子編碼信息的有偏振、相位等物理量。在基于偏 振編碼的量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)中，量子信息被編碼在光子的偏振態(tài)上，偏振態(tài)通常需要利用 鈮酸鋰等電光晶體進行調(diào)制，由于電光晶體較高的半波電壓調(diào)制要求，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(diào)制速率不高的問題，這進一步影響到 了量子密鑰分發(fā)的成碼率。此外，在量子信號的傳輸過程中，由于在光纖中不可避免的存在 雙折射及色散等干擾，偏振編碼的量子信息很容易受到外界環(huán)境的影響，長距離傳輸后會 導(dǎo)致較高的誤碼率。因此，基于偏振編碼的量子密鑰分發(fā)面臨著成碼率不高，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(yīng)用到量子密鑰分發(fā)的 編碼之中，相位編碼利用兩束相干光脈沖在馬赫-曾德爾干涉儀中進行干涉，最終在干涉 儀的輸出端由兩束光的干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(huán)境干擾的缺點，然而這種相干性在信息的發(fā)送端和接收端仍會受 到器件的制約，特別是對馬赫-曾德爾干涉儀的穩(wěn)定性提出了嚴格的要求，因此其應(yīng)用受 到了 一定的限制。
[0003] 研究發(fā)現(xiàn)，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(xué)奇點， 并具有獨特的軌道角動量的量子拓撲結(jié)構(gòu)特性，其獨特的光學(xué)特性可以提高信息編碼的安 全性與調(diào)制能力，因此在量子信息以及光通信中具有重大的研究價值。目前，一種基于單光 子軌道角動量的量子密鑰分發(fā)方案得到了報道，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(tǒng)的安全性，然而在其編碼發(fā)射端，編 碼信息需要依賴兩個可以發(fā)射攜帶不同軌道角動量光子的激光器，由于受到軌道角動量產(chǎn) 生技術(shù)的制約，這種光子的產(chǎn)生效率并不高，且很難達到單光子的水平，這導(dǎo)致了系統(tǒng)誤碼 率的增加，并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-曾德干 涉儀，因此也增加了其在通信中的應(yīng)用難度。一種基于自旋-軌道角動量混合調(diào)制的量子 密鑰分發(fā)系統(tǒng)也得到了報道，該系統(tǒng)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，并利用符合測量單元作為信息的解碼裝置，提高了系統(tǒng)的安全性，然而混合糾纏 光源的核心產(chǎn)生器件q-plate目前還處于實驗室研發(fā)階段，其制作工藝復(fù)雜，成本較高且 轉(zhuǎn)化效率還不是很理想，這也限制了該系統(tǒng)的應(yīng)用，另外，在系統(tǒng)的解調(diào)端，由于其解碼的 符合特性曲線為一個連續(xù)曲線，因此符合計數(shù)的微小偏離都會帶來較高的誤碼率，由于信 息發(fā)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。 【實用新型內(nèi)容】
[0004] 本實用新型的目的在于：提供一種結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定快速的基于軌道角動量編碼的 量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)。
[0005] 為了解決上述技術(shù)問題，本實用新型提供了一種基于軌道角動量編碼的量子密鑰 分發(fā)系統(tǒng)，其包括密鑰發(fā)送端和密鑰接收端，所述密鑰發(fā)送端包括，依次連結(jié)的激光器、聚 焦透鏡、BB0晶體、分束器、第一空間光調(diào)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(diào)制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(diào)制器、第二濾波片、第一單光子探測器和符合計 數(shù)器，所述第二空間光調(diào)制器與所述分束器連接，還包括連接于所述第一濾波片與所述符 合計數(shù)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(diào)制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(shù)器與所述 第二計算機連接；
[0006] 所述激光器作為泵浦光源，用于泵浦產(chǎn)生高斯光；所述聚焦透鏡用于聚焦激光光 束；所述BB0晶體用于參量下轉(zhuǎn)換產(chǎn)生信號光子和閑置光子，產(chǎn)生的光子對糾纏于軌道角 動量自由度；所述分束器用于將參量下轉(zhuǎn)換產(chǎn)生信號光子和閑置光子分兩路輸出；所述第 一空間光調(diào)制器用于調(diào)制入射的信號光子，進行量子比特的編碼，經(jīng)調(diào)制的信號光子以基 模高斯光的模式輸出；所述第一計算機用于實時調(diào)制第一空間光調(diào)制器上的入射信號光子 的軌道角動量態(tài)，并用于進行編碼基和測量基的比對；所述第一濾波片用于濾掉信號光子 中未轉(zhuǎn)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 束器將所述閑置光子通過自由空間傳動送所述第二空間光調(diào)制器；
[0007] 所述第二空間光調(diào)制器用于調(diào)制閑置光子軌道角動量態(tài)，進行閑置光子軌道角動 量態(tài)的測量；所述第二計算機用于實時調(diào)制第二空間光調(diào)制器上入射閑置光子的軌道角動 量態(tài)，并用于進行編碼基和測量基的比對；所述第二濾波片用于濾掉閑置光子中未轉(zhuǎn)換的 殘留光子；所述閑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 測器用于探測單模光纖傳送的調(diào)制閑置光子，并記錄單位時間內(nèi)到達的閑置光子數(shù)目；所 述第二單光子探測器用于探測單模光纖傳送的調(diào)制信號光子，并記錄單位時間內(nèi)到達的信 號光子數(shù)目；所述符合計數(shù)器用于接收第一單光子探測器和第二單光子探測器所傳送的探 測信號并產(chǎn)生符合測量計數(shù)，并將計數(shù)結(jié)果傳送給第二計算機。
[0008] 所述BB0晶體的化學(xué)式為0 -BaB204,滿足I類相位匹配條件。
[0009] 所述第一空間光調(diào)制器和所述第二空間光調(diào)制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] 激光器所產(chǎn)生高斯光的波長為355nm，BB0晶體轉(zhuǎn)換產(chǎn)生信號光子和閑置光子的 波長為710nm。
[0012] 相對于現(xiàn)有技術(shù)，本實用新型具有以下有益效果：
[0013] 1、本實用新型采用軌道角動量糾纏態(tài)作為信息編碼的載體，并采用符合計數(shù)的方 法進行解碼，抵抗環(huán)境變化能力強，實現(xiàn)了穩(wěn)定、高碼率的量子密鑰分發(fā)；
[0014] 2、本實用新型的量子編碼、測量及公共信道的通信過程功能高度集成，可以方便 地進行信息的實時發(fā)送和接收，操作性強；
[0015] 3、本實用新型解決了現(xiàn)有的一種基于自旋-軌道角動量混合調(diào)制的量子密鑰分 發(fā)系統(tǒng)調(diào)制編碼及解碼能力不強的缺點。
【附圖說明】
[0016] 圖1為本實用新型的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和工作原理圖；
[0017] 圖2為本實用新型的流程圖。
【具體實施方式】
[0018]Alice代表密鑰發(fā)送端，Bob代表密鑰接收端。
[0019]請參閱圖1，本實用新型的基于軌道角動量編碼的量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)包括密鑰發(fā) 送端和密鑰接收端，所述密鑰發(fā)送端包括，依次連結(jié)的激光器10、聚焦透鏡11、BB0晶體12、 分束器13、第一空間光調(diào)制器14和第一濾波片16,還包括第一計算機15,所述第一計算機 15的一端與所述第一空間光調(diào)制器14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(diào)制器20、第二濾波片22、第一單光子探測器23 和符合計數(shù)器25,所述第二空間光調(diào)制器20與所述分束器13連接，還包括連接于所述第一 濾波片16與所述符合計數(shù)器25之間的第二單光子探測器24,還包括第二計算機21，所述 第二計算機21的一端與所述第二空間光調(diào)制器20連接且