多用戶軌道角動(dòng)量復(fù)用量子密鑰分發(fā)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實(shí)用新型設(shè)及自由空間通信與量子通信網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域，具體設(shè)及一種多用戶軌道角 動(dòng)量復(fù)用量子密鑰分發(fā)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)及其量子密鑰分發(fā)方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 量子密碼技術(shù)是基于海森堡測(cè)不準(zhǔn)原理和未知量子態(tài)不可克隆原理，其安 全性不依賴于計(jì)算的復(fù)雜度，因此，具有絕對(duì)的安全性。量子密鑰分發(fā)（如antumKey Distribution,Q邸）能W絕對(duì)安全的方式讓處于不同地理位置的合法參與者分享密鑰，雙 方的密鑰發(fā)送信道可W是自由空間或者光纖，采用光纖作為傳輸信道的QKD取得了很大的 進(jìn)步。
[0003] 目前，一種用M-Z干設(shè)儀實(shí)現(xiàn)量子密鑰分發(fā)的方案，其干設(shè)事件清楚地體現(xiàn)了量 子力學(xué)中的路徑選擇問(wèn)題，在QKD中有著重要應(yīng)用。干設(shè)儀主要由兩塊半反半透鏡BS和兩 塊反光鏡組成，來(lái)自光源的光經(jīng)過(guò)分束后分別走不同路徑，當(dāng)?shù)竭_(dá)探測(cè)器的光路光程相同 時(shí)，能產(chǎn)生干設(shè)效應(yīng)。因此，在兩路徑中加入相位調(diào)制器，通過(guò)運(yùn)兩個(gè)相位調(diào)制器的光脈沖 就能在匯合時(shí)產(chǎn)生不同的干設(shè)，從而實(shí)現(xiàn)在量子密鑰分配中的路徑選擇。
[0004] 基于M-Z干設(shè)儀的量子密鑰分發(fā)方案的優(yōu)勢(shì)，W及量子密碼在網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的發(fā)展， 現(xiàn)有的M-Z型的量子密鑰分發(fā)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，方案中采用系統(tǒng)自置的相位調(diào)制器件等，可實(shí)現(xiàn) 復(fù)雜環(huán)境中震動(dòng)和相位漂移的主動(dòng)補(bǔ)償，技術(shù)成熟；采用波分復(fù)用網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)任意用戶 間的互通，具有很好的網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展性和安全性，在量子光纖網(wǎng)絡(luò)技術(shù)中，應(yīng)用復(fù)用/解復(fù)用技 術(shù)在聚焦多用戶通信的提高方面已取得矚目成果，但上述研究也僅限于光纖信道中的傳 輸，未應(yīng)用到自由空間的量子網(wǎng)絡(luò)通信，因此為了很好的實(shí)現(xiàn)量子網(wǎng)絡(luò)通信實(shí)現(xiàn)的多用戶 軌道角動(dòng)量復(fù)用網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)還需要解決該問(wèn)題。 陽(yáng)0化]軌道角動(dòng)量（OAM)作為光學(xué)旋滿（OV)光束中描述螺旋波前特征的一個(gè)物理量，為 自由空間的量子網(wǎng)絡(luò)通信的復(fù)用提供了一個(gè)全新的自由度。當(dāng)光束的振幅函數(shù)含有方位角 相位項(xiàng)exp(il如時(shí)，光束攜帶軌道角動(dòng)量，運(yùn)里的1是軌道角動(dòng)量的特征值或是所謂的拓 撲荷。理論上，1值是無(wú)窮的，運(yùn)使運(yùn)用軌道角動(dòng)量狀態(tài)作為信道復(fù)用的載體，為數(shù)據(jù)傳輸 攜帶信號(hào)成為可能。因此，有待將軌道角動(dòng)量技術(shù)應(yīng)該用到自由空間的量子網(wǎng)絡(luò)通信中。
[0006] 軌道角動(dòng)量光束作為軌道角動(dòng)量復(fù)用（OAM-M)的信息載體，為增加自由空間量子 通信系統(tǒng)的容量提供了潛在方法。研究證實(shí)，利用達(dá)曼光柵自主共線軌道角動(dòng)量通道的產(chǎn) 生、傳輸和同步探測(cè)，已獲得了 8〇/i6(yrbit/s容量。通過(guò)達(dá)曼光柵的軌道角動(dòng)量復(fù)用技術(shù) 解決了大量軌道角動(dòng)量態(tài)同步跟蹤的瓶頸問(wèn)題，并且為光通信容量達(dá)到化it/s提供了可 能。由于軌道角動(dòng)量的正交特性，同軸OV光束攜帶的信息能夠在自由空間傳輸而不存在軌 道角動(dòng)量信道干擾。因此，可W利用達(dá)曼光柵搭建基于軌道角動(dòng)量解復(fù)用（OAM-DM)的量子 網(wǎng)絡(luò)來(lái)研究自由空間通信。
[0007] 而在滿旋光束的生成方法中，利用空間光調(diào)制器生成軌道角動(dòng)量，具有線形度好、 光束均勻性好、響應(yīng)速度快、可控性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，而且可同時(shí)調(diào)制多個(gè)不同的軌道角動(dòng)量，在 實(shí)現(xiàn)生成多軌道角動(dòng)量光束的發(fā)展上有著絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，因此可W將空間光調(diào)制器結(jié)合應(yīng)用到 自由空間的量子網(wǎng)絡(luò)通信中。
[0008] 滿旋光束軌道角動(dòng)量的測(cè)量是其應(yīng)用的前提，特別是將光束軌道角動(dòng)量維度應(yīng) 用于復(fù)用通信時(shí)。測(cè)量光束軌道角動(dòng)量的方法有很多，常見(jiàn)的全息光柵測(cè)量法是利用滿 旋光束與平面波的干設(shè)圖樣制成全息圖，將其二值化后制成振幅光柵。運(yùn)種衍射光柵形 狀成叉狀，因此稱其為叉狀振幅光柵。普通叉狀振幅光柵的測(cè)量能力受限，源于其高階衍 射級(jí)衍射效率低。一維叉狀振幅光柵生成的零級(jí)、一級(jí)、二級(jí)=個(gè)衍射光斑的能量之比為 0. 80:0. 35:0. 07,因此高級(jí)次光斑衍射能量過(guò)低而無(wú)法觀測(cè)。為了很好的實(shí)現(xiàn)量子網(wǎng)絡(luò)通 信實(shí)現(xiàn)的多用戶軌道角動(dòng)量復(fù)用量子密鑰分發(fā)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)還需要該問(wèn)題。 【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0009] 本實(shí)用新型的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種多用戶軌道角動(dòng)量復(fù)用量 子密鑰分發(fā)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。
[0010] 本實(shí)用新型的技術(shù)方案是運(yùn)樣實(shí)現(xiàn)的：多用戶軌道角動(dòng)量復(fù)用量子密鑰分發(fā)網(wǎng)絡(luò) 系統(tǒng)，包括Alice控制端，S-D型軌道角動(dòng)量復(fù)用單元和多個(gè)Bob用戶端，其中：
[0011] 所述Alice控制端包括激光光源、偏振控制器、衰減器、第一非等臂M-Z干設(shè)儀與 軌道角動(dòng)量復(fù)用單元，所述軌道角動(dòng)量復(fù)用單元又包括第一準(zhǔn)直器、空間光調(diào)制器和凸透 鏡；其中，所述激光光源產(chǎn)生特定波長(zhǎng)的激光信號(hào)，避免因多波長(zhǎng)傳輸引起的串?dāng)_與功率泄 漏等影響，提高信號(hào)的穩(wěn)定性；偏振控制器將對(duì)光束進(jìn)行偏振調(diào)制，確保輸入光束為單一偏 振態(tài)W滿足空間光調(diào)制器對(duì)偏振光的要求；衰減器實(shí)現(xiàn)光束能量的衰減，使光強(qiáng)達(dá)到量子 水平的弱脈沖，保證了M-Z型量子密鑰分發(fā)的安全通信；所述空間光調(diào)制器為純相位型反 射式液晶空間光調(diào)制器，是一種基于液晶分子電致雙折射效應(yīng)的有源數(shù)字光學(xué)器件，具有 低電壓、微功耗、小型化、輕量化、節(jié)能化、高密度化等特點(diǎn)。在調(diào)制光束的軌道角動(dòng)量方面， 具有衍射效率高、控制簡(jiǎn)單方便、可靈活變換等優(yōu)勢(shì)，能同時(shí)調(diào)制多個(gè)不同軌道角動(dòng)量實(shí)現(xiàn) 光信號(hào)束的復(fù)用。
[0012] 所述軌道角動(dòng)量解復(fù)用單元包括達(dá)曼光柵、第二準(zhǔn)直器與單模光纖；
[0013] 所述Bob用戶端包括N個(gè)Bob用戶，每個(gè)Bob用戶包括第二非等臂M-Z干設(shè)儀和 探測(cè)裝置；
[0014] 優(yōu)選地，所述激光光源產(chǎn)生的光信號(hào)由光纖進(jìn)入所述偏振控制器和衰減器后傳送 至所述第一非等臂M-Z干設(shè)儀，然后依次傳輸?shù)剿龅谝粶?zhǔn)直器、空間光調(diào)制器和凸透鏡 上，然后光信號(hào)經(jīng)所述凸透鏡匯聚后傳送至軌道角動(dòng)量解復(fù)用單元中的達(dá)曼光柵上；達(dá)曼 光柵將共線傳輸?shù)能壍澜莿?dòng)量復(fù)用信號(hào)沿不同衍射級(jí)次解復(fù)用，所述第二準(zhǔn)直器將解復(fù)用 的信號(hào)由自由空間禪合進(jìn)所述單模光纖；所述單模光纖內(nèi)的信號(hào)再進(jìn)入到所述第二非等臂 M-Z干設(shè)儀后，最后進(jìn)入到所述探測(cè)裝置進(jìn)行探測(cè)。
[0015] 優(yōu)選地，所述第一非等臂M-Z干設(shè)儀和第二非等臂M-Z干設(shè)儀均包括兩個(gè)50:50 的第一分束器、第二分束器W及長(zhǎng)臂光纖和短臂光纖；所述長(zhǎng)臂光纖和短臂光纖不相等， 所述長(zhǎng)臂光纖包含一個(gè)相位調(diào)制器；光信號(hào)進(jìn)入所述第一非等臂M-Z干設(shè)儀或第二非等 臂M-Z干設(shè)儀時(shí)由所述第一分束器分成兩路：一路經(jīng)過(guò)短臂光纖直接進(jìn)入所述第二分束器 中，另一路經(jīng)過(guò)所述相位調(diào)制器進(jìn)入到第二分束器與前一路匯合；其中所述相位調(diào)制器進(jìn) 行相位編碼時(shí)可根據(jù)隨機(jī)碼選擇（0、n)和（JT/4、3JT/4)兩組正交基進(jìn)行四個(gè)相位值的隨 機(jī)調(diào)制。
[0016] 具體地，所述探測(cè)裝置包括偏振分束器、第一多波長(zhǎng)單光子探測(cè)器和第二多波長(zhǎng) 單光子探測(cè)器；進(jìn)入到所述探測(cè)裝置的脈沖后分為兩部分，一部分經(jīng)過(guò)所述偏振分束器進(jìn) 入到第一多波長(zhǎng)單光子探測(cè)器，另一部分直接進(jìn)入到所述第二多波長(zhǎng)單光子探測(cè)器，最后 根據(jù)探測(cè)器的響應(yīng)記錄探測(cè)事件巧Ob用戶端進(jìn)行相位編碼時(shí)可根據(jù)隨機(jī)碼選擇0和/4 兩個(gè)基進(jìn)行隨機(jī)調(diào)制，再通過(guò)探測(cè)裝置測(cè)到的干設(shè)結(jié)果與Alice控制端進(jìn)行基比對(duì)，保留 相同密鑰舍棄錯(cuò)誤密鑰并進(jìn)行密性放大后得到安全密鑰。
[0017] 其中，密性放大是一種通過(guò)公開(kāi)通信提高數(shù)據(jù)保密性的技術(shù)，經(jīng)過(guò)上述的數(shù)據(jù)協(xié) 調(diào)后，發(fā)送方Alice控制端與接收方Bob用戶端擁有的數(shù)據(jù)高度一致，誤碼率低，但竊聽(tīng)者 可能知道部分?jǐn)?shù)據(jù)，為了提高保密性，控制端與接收方Bob用戶端W減小他們擁有的信息 為代價(jià)，使竊聽(tīng)者知道的信息量變?yōu)闊o(wú)效。
[0018] 優(yōu)選地，所述激光光源用于產(chǎn)生特定波長(zhǎng)的光信號(hào)束；所述偏振控制器用于實(shí)現(xiàn) 對(duì)光束的偏振調(diào)制，所述衰減器用于調(diào)制光信號(hào)束的光強(qiáng)。
[0019] 具體