[發明專利]基于軌道角動量復用的量子密鑰分發網絡系統及方法

有效

• 申請號: 201711014159.9
• 申請日: 2017-10-25
• 公開（公告）號: CN107634831B
• 公開（公告）日: 2022-12-02
• 發明（設計）人: 郭邦紅;曾涵宇
• 申請（專利權）人: 廣東國騰量子科技有限公司
• 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

1.基于軌道角動量復用的量子密鑰分發網絡系統，其特征在于，包括Alice控制端，軌道角動量模分復用單元和Bob用戶端，其中：

所述Alice控制端包括信號調制單元和軌道角動量復用單元，所述軌道角動量復用單元包括空間光調制器和倒置伽利略望遠鏡組件；

所述軌道角動量模分復用單元包括伽利略望遠鏡組件和軌道角動量分離裝置；

所述Bob用戶端包括N個Bob用戶，每個Bob用戶包括偏振控制器與探測裝置；

所述信號調制單元產生的光信號依次進入到所述空間光調制器、倒置伽利略望遠鏡組件、伽利略望遠鏡組件和軌道角動量分離裝置，然后所述軌道角動量分離裝置根據光子攜帶的不同軌道角動量來決定光子從不同的端口輸出；將所述軌道角動量分離裝置輸出的信號光子傳送至對應Bob用戶的偏振控制器中，最后進入到所述探測裝置進行探測；

所述信號調制單元包括第一至第四4個弱相干光源，45度偏振片，135度偏振片，左旋圓偏振片和右旋圓偏振片，第一至第三分束器；所述第一至第四弱相干光源發射單光子態分別進入到所述45度偏振片，135度偏振片，左旋圓偏振片和右旋圓偏振片中，然后從所述45度偏振片和135度偏振片傳輸出來的信號光子在第一分束器處耦合，從所述左旋圓偏振片和右旋圓偏振片傳輸出來的信號光子在第二分束器處耦合，所述第一分束器與第二分束器傳輸出來的信號光子統一在所述第三分束器處耦合，最后傳輸到所述軌道角動量復用單元中；

所述軌道角動量分離裝置包括若干級聯的M-Z干涉儀，若干M-Z干涉儀級聯從前至后依次連接；Bob用戶與最后一級M-Z干涉儀的任意一個出射端口連接；

每個M-Z干涉儀包括入射端口，第四分束器，第一反射鏡，第一、第二達夫棱鏡模塊，第五分束器，出射反射端口，出射透射端口和第二反射鏡；

信號光子進入到空間光調制器后，依次穿過倒置伽利略望遠鏡組件和伽利略望遠鏡組件進入到所述M-Z干涉儀中，接著進入到M-Z干涉儀的第四分束器中，在所述第四分束器處形成第一光路和第二光路，其中第一光路路徑為：一部分信號光子直接通過第一達夫棱鏡模塊進入到第二反射鏡；第二光路路徑為：另一部分信號光子通過第一反射鏡后再進入到第二達夫棱鏡模塊，然后與第二反射鏡反射過來的信號光子在所述第五分束器處耦合，最后分別從出射反射端口和出射透射端口射出。

2.如權利要求1所述的基于軌道角動量復用的量子密鑰分發網絡系統，其特征在于，所述倒置伽利略望遠鏡組件包括兩個共焦的凸透鏡，所述伽利略望遠鏡組件包括一個雙曲面凸透鏡。

3.如權利要求2所述的基于軌道角動量復用的量子密鑰分發網絡系統，其特征在于，所述第一、第二達夫棱鏡模塊均包括依次連接的達夫棱鏡，第一四分之一波片和第一半波片。

4.如權利要求3所述的基于軌道角動量復用的量子密鑰分發網絡系統，其特征在于，任意一個前級的M-Z干涉儀的出射反射端口和出射透射端口分別通過M-Z干涉儀的入射端口與后級的M-Z干涉儀連接。

5.如權利要求1所述的基于軌道角動量復用的量子密鑰分發網絡系統，其特征在于，所述Bob用戶端包括N個Bob用戶，每個Bob用戶分別與多級級聯的M-Z干涉儀中最后一級M-Z干涉儀的出射反射端口和出射透射端口的任意一個端口連接。

6.如權利要求5所述的基于軌道角動量復用的量子密鑰分發網絡系統，其特征在于，每個Bob用戶包括偏振控制器與探測裝置，所述探測裝置又包括第六分束器，第二四分之一波片，第二、第三半波片，第一、第二偏振分束器和第一至第四探測器；

信號光子在所述第六分束器處進行分路：一部分信號光子通過第二半波片后進入到第一偏振分束器處分束最后進入到第一探測器和第二探測器中進行探測；另一部分信號光子依次通過所述第二四分之一波片和第二半波片后進入到第三偏振分束器進行分束最后進入到第三探測器和第四探測器中進行探測。

7.基于軌道角動量復用的量子密鑰分發方法，其特征在于，該方法應用于如權利要求1-6任意一項所述的基于軌道角動量復用的量子密鑰分發的網絡系統中，該方法包括以下步驟：

S1.系統初始化：檢查Alice控制端和Bob用戶端，查看各部件是否正常運轉，調試所述空間光調制器，設定各裝置的初始條件；

S2.信號調制單元測試：4個弱相干光源任意一個發送單光子進入到45度偏振片，135度偏振片，左旋圓偏振片和右旋圓偏振片中與其對應的偏振片進行偏振調制，最后進入到探測裝置，觀測探測器的響應是否正確；

S3.軌道角動量復用測試：由所述弱相干光源發射光子信號，經過4個偏振片偏振調制后，再通過分束器耦合到所述空間光調制器上，對光子信號進行軌道角動量復用調制，產生多個不同軌道角動量復用；

S4.軌道角動量解復用測試：將軌道角動量復用光束通過所述軌道角動量分離裝置進行解復用，所述軌道角動量分離裝置根據光子攜帶不同的軌道角動量而選擇從對應端口射出；

S5.系統噪聲測試：在所述弱相干光源不發射光信號的前提下，即脈沖數為零時，測試系統噪聲水平；

S6.密鑰發送：所述信號調制單元根據隨機數碼隨機選擇四個弱相干光源中的任意一個發送單光子信號，后經對應的偏振片進行偏振調制，其中隨機數與所選擇的光源順序相對應，密鑰發送端記錄隨機碼信息；

S7.密鑰篩選與成碼：所述Bob用戶端根據所述探測裝置中的探測器響應情況來記錄探測事件，接著Bob用戶端根據記錄的探測器響應的信息與Alice端記錄的隨機碼信息通過公開信道進行信息比對，形成篩選密鑰；然后在篩選密鑰中隨機挑選一些數據，通過計算信息誤碼率判斷是否存在竊聽，然后再次對篩選密鑰進行數據協調，信息協調前后Alice與Bob的互信息將保持不變，最后通過保密放大協議進行數據保密放大，得到最終的安全密鑰。