[發明專利]基于軌道角動量的連續變量量子密鑰分發方法及系統

有效

• 申請號: 201910871917.1
• 申請日: 2019-09-16
• 公開（公告）號: CN110460441B
• 公開（公告）日: 2021-05-28
• 發明（設計）人: 黃端;金迪
• 申請（專利權）人: 中南大學
• 主分類號: H04L9/08
• 分類號: H04L9/08;H04B10/11;H04B10/54;H04B10/556;H04B10/70
• 代理公司: 長沙永星專利商標事務所(普通合伙) 43001
• 代理人: 周詠;米中業

本發明公開了一種基于軌道角動量的連續變量量子密鑰分發方法，包括初始化；發送方獲取信號光和輔助光、調制信號光；將調制后的信號光調制成模式不同的信號光軌道角動量光束并進行軌道角動量復用后，再與輔助光一同進行偏振復用并發送給接收方；接收方偏振解復用接收光信號、將輔助光調制成模式不同的輔助光軌道角動量光束并對接收并解復用后得到的軌道角動量復用后的模式不同的信號光軌道角動量光束進行解調得到發送方發送的信號光以及隨機測量信號光的正則位置X或正則動量P的值得到最終的發送方發送的密鑰數據。本發明還公開了實現所述基于軌道角動量的連續變量量子密鑰分發方法的系統。本發明能夠提高系統通信容量并降低大氣信道引入的噪聲。

技術領域

本發明具體涉及一種基于軌道角動量的連續變量量子密鑰分發方法及系統。

背景技術

量子密鑰分發(QKD)是量子密碼的重要應用之一，它允許兩個合法方Alice和Bob通過不可信的環境交換一個公共密鑰。它的安全性是由量子力學定律所保證的。目前，量子通信中常用的密鑰分發方法有離散變量(DV)QKD和連續變量(CV)QKD。CVQKD編碼高斯狀態的二次性質信息，是DVQKD的另一種選擇，具有更高的密鑰分發率。隨著近年來研究的發展，CVQKD以其檢測效率高、實驗成本低等優點成為QKD研究的熱點。高斯調制的CVQKD協議已經被證明是安全的，可以抵御集體攻擊和一致攻擊。此外，在漸近尺度和有限尺度下是最優的。

總的來說，QKD系統可以由兩種主要的鏈路類型構成，光纖鏈路和自由空間鏈路。然而，長距離環境帶來了許多技術挑戰。基于光纖的QKD實驗由于通道和檢測器的損耗，電流傳輸距離被限制在幾百公里。另一方面，由于其靈活實用的系統，FSO鏈路受到了越來越多的關注。然而，與傳統通信相比，CVQKD的密鑰率仍然相對較低，多路復用技術是解決這一問題的有效途徑。眾所周知，軌道角動量(OAM)是光子的一個重要物理量。由于OAM態的無限性和正交性，光子的軌道角動量為實現多路復用技術提供了一種有效的途徑。將兩種方法應用于軌道角動量的復用。一種是在更高維度(理論上是無限維度)的希爾伯特空間中編碼信息，這在DVQKD中得到了應用。另一種是利用OAM波束作為多路信息載體，其普遍應用于CVQKD中。

然而，由于大氣湍流的存在，大氣信道被扭曲，導致信號散射、波動和吸收，從而導致自由空間光通信難以長到足以用于實際目的。此外，衍射引起的串擾也會影響傳輸距離。因此，對削弱大氣湍流影響的遠程自由空間通信系統至關重要。事實上，人們已經提出了各種技術來減輕大氣湍流的影響，如信道編碼、自適應光學、分集技術和均衡技術等。然而，自適應光學方法往往采用高端電子、光學或機械硬件。而信道編碼難以抵抗強湍流的影響。

發明內容

本發明的目的之一在于提供一種成本低廉、可靠性高且能夠抵抗強湍流影響的基于軌道角動量的連續變量量子密鑰分發方法。

本發明的目的之二在于提供一種實現所述基于軌道角動量的連續變量量子密鑰分發方法的系統。

本發明提供的這種基于軌道角動量的連續變量量子密鑰分發方法，包括如下步驟：

S1.發送方和接收方進行各自初始化；

S2.發送方通過光分束器將相干光源分為信號光和輔助光，并對信號光進行調制；

S3.發送方將調制后的信號光再次調制成模式不同的信號光軌道角動量光束，將模式不同的信號光軌道角動量光束進行軌道角動量復用后，再與輔助光一同進行偏振復用并發送給接收方；

S4.接收方對接收到的光信號進行偏振解復用；

S5.接收方將得到的輔助光調制成模式不同的輔助光軌道角動量光束；

S6.接收方采用步驟S5得到的模式不同的輔助光軌道角動量光束，對步驟S4接收并解復用后得到的軌道角動量復用后的模式不同的信號光軌道角動量光束進行解調，從而得到發送方發送的信號光；