[發明專利]一種自旋-軌道角動量混合調制量子密鑰分發方法及系統

在審

• 申請號: 201410361012.7
• 申請日: 2014-07-25
• 公開（公告）號: CN104092539A
• 公開（公告）日: 2014-10-08
• 發明（設計）人: 郭邦紅;張程賢;程廣明;郭建軍;范榕華
• 申請（專利權）人: 華南師范大學
• 主分類號: H04L9/08
• 分類號: H04L9/08
• 代理公司: 廣州圣理華知識產權代理有限公司 44302
• 代理人: 頓海舟;陳業勝

技術領域

本發明涉及量子保密通信領域，特別涉及一種自旋-軌道角動量混合調制量子密鑰分發方法及系統。

背景技術

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。由于糾纏光子對之間有較強的糾纏聯系，基于糾纏光子對的量子密鑰分發系統具有更好的安全特性。

研究發現，光子可以攜帶自旋角動量(SAM)和軌道角動量(OAM)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〉作為自旋算符的本征態，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，軌道角動量來源于光子的螺旋相位，對應軌道角動量本征態|m〉，m為軌道角動量特征量子數，由于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。

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，密鑰信息將被舍棄掉。因此，基于“相互無偏基”編碼協議的系統一方面存在信息損失導致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復雜度。一種基于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閑置光子來進行編碼，采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，并且不需要再額外設計一條經典信道，但該系統在糾纏光源制備端，對泵浦光源的波長、頻率及功率要求嚴格，此外，在調制解調中需要多個空間光調制器(Spatial?Light?Modulator,SLM)進行糾纏光子對的軌道角動量調制，導致系統結構復雜，成本較高。

發明內容

本發明的目的在于：提供一種編碼信息容量大、結構簡單、安全性高的自旋-軌道角動量混合調制量子密鑰分發方法及系統。

為了解決上述技術問題，本發明提供了一種自旋-軌道角動量混合調制量子密鑰分發方法，包括混合自旋-軌道角動量產生、自旋角動量調制、軌道角動量調制和符合測量解碼；

所述混合自旋-軌道角動量產生包含以下步驟：

①自旋糾纏光子產生：產生自旋角動量糾纏的信號光子和閑置光子；

②軌道糾纏轉化：將閑置光子的自旋角動量自由度向軌道角動量自由度轉化；

③混合糾纏產生：隔離信號光子和閑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閑置光子軌道角動量的相互糾纏；

所述自旋角動量調制包含以下步驟：

①相位偏轉調制：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制；

②偏振篩選：對水平偏振、垂直偏振的信號光子進行篩選；

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；

所述軌道角動量調制包含以下步驟：

①相位偏轉調制：調制相位全息圖，對閑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制；

②量子比特編碼：對閑置光子軌道角動量進行量子比特編碼；

③密鑰發送：將量子比特編碼信息發送至符合測量單元；

所述符合測量解碼包括以下步驟：

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；

②比特信息確定：依據符合測量值決定所編碼的比特信息；

③密碼序列建立：分析測量結果，建立隨機密碼序列。