[發明專利]一種M-Z型軌道角動量糾纏密鑰分發方法與網絡系統

有效

• 申請號: 201510675465.1
• 申請日: 2015-10-16
• 公開（公告）號: CN105391547B
• 公開（公告）日: 2018-10-26
• 發明（設計）人: 郭邦紅;郭建軍;范榕華;張文杰
• 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;王鴿

本發明公開了一種M?Z型軌道角動量糾纏密鑰分發方法與網絡系統，包括Alice控制端、M?Z型復用單元和Bob用戶端。Alice控制端包括糾纏產生單元、調制單元和符合測量單元；M?Z型復用單元包括第一復用模塊和第二復用模塊；Bob用戶端包括Bob1和Bob2用戶。糾纏產生單元產生攜帶奇偶拓撲荷OAM糾纏的閑置光和信號光,其中信號光依次經過第一復用模塊、調制單元、符合測量單元；閑置光依次經過第二復用模塊、Bob用戶端最后和信號光在符合測量單元匯合進行密鑰分配與共享。本發明利用攜帶光束旋轉器的M?Z干涉儀可以分離奇數和偶數OAM的特性，實現了基于OAM糾纏奇偶拓撲荷調制編解碼的大容量一對二QKD網絡通信系統，工程應用性廣泛和可擴展性強。

技術領域

本發明涉及自由空間通信與量子通信網絡領域，具體地涉及一種M-Z型軌道角動量糾纏密鑰分發方法與網絡系統。

背景技術

傳統密碼技術的安全性由數學上的計算復雜度來保證，但隨著目前計算能力的進步和提高，傳統密碼技術的安全性受到巨大威脅。而量子密碼技術的安全性不依賴于計算的復雜度，其安全性以量子力學的海森堡測不準原理和未知量子態不可克隆原理為依據。量子密鑰分發(Quantum Key Distribution，QKD)是以量子力學基本原理為基礎，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。

在QKD光通信中，目前信息載體大多數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二進制數據的傳輸。與這些自由度相比，軌道角動量(Orbital Angular Momentum，OAM)是一個新的自由度并可以作為數據信息載體。1992年，荷蘭萊頓大學的Allen團隊從理論上證明光子中含有確定的軌道角動量lh。光的OAM和復電場相位角有關,OAM來源于繞傳播方向的相位波前。一個光子OAM值為lh對應螺旋形等相位面,螺旋相位項為exp(ilφ),l為OAM拓撲荷,l的正負代表旋轉方向不同，φ為極坐標系中的極角。由于l可以取任意整數,所以單光子有無數個OAM正交本征態,即光子OAM具有高維特性。因此，若以光子OAM作為信息的載體來編碼信息可以實現一個高維的Hilbert空間中多位量子態編碼(qubits)，能夠顯著增大光子攜帶信息容量，提高編碼安全性。

在QKD系統中，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性，所以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。2001年，Mair團隊在實驗上證明了自發參量下轉換過程可以產生雙光子OAM糾纏態。但目前大部分基于OAM的QKD是點對點應用，無法直接拓展到多用戶網絡應用，這成為限制其走向大規模應用的重要滯礙之一。

目前已有的QKD網絡主要采用基于光學節點和可信中繼的網絡，其中光學節點可以采用光開關、分光器、波分復用器或者其他光學被動器件，基于可信中繼的難點在于保持中繼的可靠性，而且這些QKD網絡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網絡器件是達曼光柵，但達曼光柵制作復雜，對材料要求精準，OAM自由度被破壞只能用來復用多信道，不能利用OAM來編解碼。當前，攜帶光束旋轉器的M-Z干涉儀結構簡單，不僅可以分離奇數和偶數OAM，而且沒有破壞OAM自由度，從而，我們利用此裝置既可以復用信道，還可以用OAM自由度來編解碼進行大容量多用戶的量子網絡通信。因此，如何設計一個基于OAM糾纏且簡單的多用戶量子密鑰分發系統就顯得十分重要，其中，特別是不同通信安全級別的區域間一對二的網絡通信，如同城經濟圈數據服務、一校三區等區域之間的安全通信。

發明內容

本發明的目的在于克服現有技術的不足，提供了一種M-Z型軌道角動量糾纏密鑰分發方法與網絡系統。

本發明的技術方案是這樣實現的：一種M-Z型軌道角動量糾纏密鑰分發網絡系統，包括Alice控制端、M-Z型復用單元和Bob用戶端，