[發(fā)明專利]一種基于軌道角動量的多用戶雙場QKD網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)及方法

在審

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• 申請日: 2020-12-29
• 公開（公告）號: CN112702164A
• 公開（公告）日: 2021-04-23
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 郭邦紅;王鵬程;胡敏
• 申請（專利權(quán)）人: 華南師范大學(xué)
• 主分類號: H04L9/08
• 分類號: H04L9/08;H04B10/70
• 代理公司: 廣州圣理華知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 44302
• 代理人: 胡小英;李唐明

本發(fā)明公開了一種基于軌道角動量的多用戶雙場QKD網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)及方法，包含N個Alice方(發(fā)送方)和N個Bob方(發(fā)送方)，兩個波長路由器和N個測量方；所述N個Alice方和N個Bob方可以實現(xiàn)任意Alice和任意Bob之間的通信；2N個發(fā)送方分別與2個波長路由器相連接；波長路由器的特定波長出口與指定的測量方相連接；所述發(fā)送方(Alice方和Bob方)發(fā)送所制備的單光子，經(jīng)過波長路由器后到達測量端發(fā)生單光子干涉，然后進行測量，經(jīng)通信雙方后處理后產(chǎn)生理論上絕對安全的量子密鑰。本發(fā)明提高了無中繼量子密鑰分發(fā)的通信距離，且可以抵抗一切針對測量端的攻擊，增強了系統(tǒng)的安全性。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及多用戶量子通信領(lǐng)域，具體涉及一種基于軌道角動量的多用戶雙場QKD網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)

量子密鑰分發(fā)是基于量子力學(xué)原理實現(xiàn)通信雙方實現(xiàn)對稱密鑰協(xié)商的一項重要技術(shù)。在假設(shè)竊聽者(Eve)存在的情況下，通信雙方，即Alice和Bob，Alice和Bob利用產(chǎn)生的密鑰結(jié)合一次一密協(xié)議可以實現(xiàn)理論上的絕對安全的保密通信。首個量子密鑰分發(fā)協(xié)議是在1984年由Bennett等人提出的，被稱為BB84協(xié)議，由于現(xiàn)實技術(shù)條件和理想情況存在差異，該協(xié)議存在著各種問題。在此后的幾十年間，大量的科研工作者不斷提出保密性更強，傳輸距離更遠的量子密鑰分發(fā)協(xié)議。2018年Lucamarini等人提出了雙場量子密鑰分發(fā)協(xié)議，簡稱TF-QKD(quantum key distribution，簡稱QKD，量子密鑰分發(fā))，即雙場量子密鑰分發(fā)協(xié)議，突破無量子中繼的量子密鑰分發(fā)協(xié)議傳輸距離的理論極限，還具有消除了探測系統(tǒng)側(cè)信道的優(yōu)點。但是，原始的雙場QKD協(xié)議實現(xiàn)的是點到點的通信，并且采用了相位編碼，存在參考系對準問題。隨著技術(shù)的發(fā)展和社會的進步，顯然點對點的用戶之間的量子保密通信不能滿足社會的需求，多用戶之間的量子保密通信可以很好的解決這個問題，大大推動量子保密通信實用化進程。

軌道角動量是1992年由Allen等人發(fā)現(xiàn)并提出的，光子不僅有自旋角動量還有軌道角動量，它來源于光波的螺旋相位，他們發(fā)現(xiàn)具有相位結(jié)構(gòu)的光場，其中是方位角，如拉蓋爾高斯光束，平均每個光子帶有的軌道角動量，其中l(wèi)是任意整數(shù)。光子軌道角動量本征態(tài)在數(shù)學(xué)上構(gòu)成了一組完備的正交基矢，因此可以利用軌道角動量來實現(xiàn)高維信息編碼。含軌道角動量的態(tài)可以表示為

其中，表示的是用于編碼的相對相位，b_A，B∈{0，π}其中0和π分別代表著編碼中的0和1。

例如，發(fā)送方和接收方產(chǎn)生相干態(tài)

上式展示的是當(dāng)調(diào)制的光束值為4時的光子態(tài)。

2020年Meng等人對利用軌道角動量進行TF-QKD進行了一些理論上的研究和模擬，但僅限于點對點的單用戶之間的量子保密通信。并沒有考慮多方的量子保密通信。TF-QKD是目前較新的量子密鑰分發(fā)協(xié)議，適合遠距離的量子保密通信，而軌道角動量可以極大的擴展傳輸信道容量，對進行高維量子密鑰分發(fā)有重要作用。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是解決目前無量子中繼的量子密鑰分發(fā)協(xié)議在傳輸距離上的固有限制，提出了一種可突破傳統(tǒng)量子密鑰分發(fā)協(xié)議的傳輸距離、可實現(xiàn)多方密鑰分發(fā)的基于軌道角動量雙場QKD系統(tǒng)。本發(fā)明可以結(jié)合TF-QKD和軌道角動量兩者的優(yōu)點進行多用戶間量子保密通信網(wǎng)絡(luò)的搭建，滿足多用戶間量子保密通信的需求。

所謂的軌道角動量本發(fā)明敘述采取選用l＝4的態(tài)來進行敘述，具體的表達式可以寫成如下形式根據(jù)不同的l值可進行疊加。由相關(guān)的理論知識可得，當(dāng)我們對上述量子態(tài)進行測量時，其會等概率塌縮至某一確定的量子態(tài)，例如塌縮為|ψ₁＝s⁽¹⁾_A，B|1。

其中表示的是用于編碼的相對相位b_A，B∈{0，π}，其中0和π分別代表著編碼中的0和1。例如Alice和Bob產(chǎn)生相干態(tài)在經(jīng)過BS發(fā)生單光子干涉后