[發(fā)明專利]基于軌道角動(dòng)量復(fù)用的量子密鑰分發(fā)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)及方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201711014159.9
• 申請日: 2017-10-25
• 公開（公告）號(hào): CN107634831B
• 公開（公告）日: 2022-12-02
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 郭邦紅;曾涵宇
• 申請（專利權(quán)）人: 廣東國騰量子科技有限公司
• 主分類號(hào): H04L9/08
• 分類號(hào): H04L9/08
• 代理公司: 廣州圣理華知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 44302
• 代理人: 頓海舟

本發(fā)明公開了包括Alice控制端，軌道角動(dòng)量模分復(fù)用單元和Bob用戶端，其中：所述Alice控制端包括信號(hào)調(diào)制單元和軌道角動(dòng)量復(fù)用單元，所述軌道角動(dòng)量模分復(fù)用單元包括伽利略望遠(yuǎn)鏡組件和軌道角動(dòng)量分離裝置；所述Bob用戶端包括N個(gè)Bob用戶，每個(gè)Bob用戶包括偏振控制器與探測裝置；所述信號(hào)調(diào)制單元產(chǎn)生的光信號(hào)依次進(jìn)入到軌道角動(dòng)量復(fù)用單元、伽利略望遠(yuǎn)鏡組件和軌道角動(dòng)量分離裝置，然后傳送至對(duì)應(yīng)所述Bob用戶端的偏振控制器中，最后進(jìn)入到所述探測裝置進(jìn)行探測。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了量子網(wǎng)絡(luò)通信的一對(duì)多通信，且每個(gè)用戶間相對(duì)獨(dú)立，且用戶數(shù)可由軌道角動(dòng)量復(fù)用的增加而擴(kuò)展，具有良好的擴(kuò)展性與較高的可實(shí)施性。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及自由空間通信與多用戶量子通信網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域，具體涉及一種基于軌道角動(dòng)量復(fù)用的量子密鑰分發(fā)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)及方法

背景技術(shù)

量子密鑰分發(fā)在量子通信技術(shù)中發(fā)展最為迅速、技術(shù)最為成熟，其以通信的安全性成為實(shí)用化量子通信的先驅(qū)者。隨著研究的深入，量子密鑰分發(fā)技術(shù)的難點(diǎn)不斷突破，量子密鑰分發(fā)已經(jīng)具備了大規(guī)模的應(yīng)用的前景。然而，要實(shí)現(xiàn)全球的量子密鑰分發(fā)網(wǎng)絡(luò)，還需要突破距離的限制。

目前，由于光纖損耗和探測器的不完美性等原因的限制，以光纖為信道的量子密鑰分發(fā)的距離已基本達(dá)到極限，而光在大氣中的損耗比在光纖中小，所以為實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的單光子密碼通信，發(fā)展對(duì)自由空間量子密鑰分發(fā)網(wǎng)絡(luò)的研究是實(shí)現(xiàn)全球量子通信的必經(jīng)之路。

自由空間通信中大氣對(duì)于不同波長光的損耗不同，且衰減系數(shù)也會(huì)隨著氣象條件的變化而改變，所以需要選取合適的光源。其次，光在均勻的大氣中近似沿直線傳播，無法做到在光纖中傳播時(shí)那樣沿任意路徑傳輸，另外，還需要考慮空間中障礙物的分布，以及大氣中空氣密度及其梯度等條件的變化對(duì)光傳播路徑的影響，所以需要設(shè)計(jì)合適的光路以及瞄準(zhǔn)裝置。此外，空間信道意味著信道無法與外部環(huán)境隔離，環(huán)境背景光也會(huì)進(jìn)入信道而被探測器所接收，從而對(duì)探測過程造成干擾，所以要選擇合適的接受裝置去除外部雜散光的影響。

大氣的雙折射效應(yīng)很小，對(duì)在大氣中傳輸?shù)墓庾悠駪B(tài)很小，因此光子的偏振態(tài)適合于自由空間的通信。除了光子的偏振態(tài)外，光子的另一個(gè)自由度，即軌道角動(dòng)量繞傳播方向旋轉(zhuǎn)時(shí)，軌道角動(dòng)量態(tài)保持不變，發(fā)送方和接收方不必實(shí)時(shí)調(diào)整參考系。所以，軌道角動(dòng)量成為了自由空間量子信息物理載體的另一個(gè)選擇。

目前對(duì)于自由空間量子密鑰分發(fā)方案的研究基本上是基于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的用戶通信，而要實(shí)現(xiàn)一對(duì)多或是多對(duì)多的通信方案就必須解決量子信息傳輸?shù)穆酚蓪ぶ返膯栴}。軌道角動(dòng)量(OAM)作為光學(xué)旋渦(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)時(shí)，光束攜帶軌道角動(dòng)量，這里的l是軌道角動(dòng)量的特征值或是所謂的拓?fù)浜伞＠碚撋希琹值是無窮的，這使運(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。無論是在經(jīng)典通信系統(tǒng)還是量子通信系統(tǒng)，軌道角動(dòng)量信道已被證實(shí)是絕對(duì)安全的。軌道角動(dòng)量光束作為軌道角動(dòng)量復(fù)用的信息載體，為增加自由空間量子通信系統(tǒng)的容量提供了潛在方法，如何將渦旋光束軌道角動(dòng)量高效和非破壞分離是其應(yīng)用于復(fù)用通信網(wǎng)絡(luò)的前提，目前，軌道角動(dòng)量(OAM)光子態(tài)測量方案主要有以下幾種：

1.常見的全息光柵測量法是利用渦旋光束與平面波的干涉圖樣制成全息圖，將其二值化后制成振幅光柵。

2.利用螺旋相位板(Q-plate)或空間調(diào)制器(SLM)，將特定階數(shù)的OAM光子態(tài)轉(zhuǎn)化為高斯光，并在后續(xù)光路中只允許高斯光通過，從實(shí)現(xiàn)某一特定階數(shù)的OAM光子態(tài)的分離測量。

3.利用保角變換，將OAM光子態(tài)轉(zhuǎn)換為平面光，然后利用透鏡將不同階OAM光子態(tài)對(duì)應(yīng)的平面光聚焦到不同的空間位置，從而實(shí)現(xiàn)OAM光子態(tài)的分離測量。

上述方案要么分離效率很低，要么破壞了原來的量子態(tài)，也無法實(shí)現(xiàn)級(jí)聯(lián)，且分離量子級(jí)別單光子軌道角動(dòng)量還有很大的困難，這些缺點(diǎn)限制了OAM光子態(tài)在軌道角動(dòng)量復(fù)用量子通信中的應(yīng)用。

因此，必須對(duì)現(xiàn)有的量子通信方式進(jìn)行進(jìn)一步地改進(jìn)。