一种实时跟踪补偿的OAM测量设备无关量子密钥分发系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种实时跟踪补偿的OAM测量设备无关量子密钥分发系统及方法，包括用户端Alice，用户端Bob和测量单元；用户端Alice和用户端Bob利用来自测量单元的强脉冲激光实现信道环境实时监测以及相位畸变补偿；测量单元采用达夫棱镜组成的M‑Z干涉仪实现奇/偶轨道角动量阶数光子的分离，可对具有轨道角动量的光子进行Bell态的测量；本发明专利技术实现了基于轨道角动量的测量设备无关量子密钥分发，用户利用轨道角动量态进行编码，具有稳定性好，成码率高，扩展性强的特点。

A Real-time Tracking Compensation Independent Quantum Key Distribution System and Method for OAM Measurement Equipment

The invention discloses a real-time tracking compensation independent quantum key distribution system and method for OAM measurement equipment, including user-end Alice, user-end Bob and measurement unit; user-end Alice and user-end Bob realize real-time channel environment monitoring and phase distortion compensation by using intense pulsed laser from measurement unit; measurement unit adopts M_Z interferometer composed of Duff prism to realize odd/even. The separation of orbital angular momentum order photons can measure the Bell state of photons with orbital angular momentum; the invention realizes the device-independent quantum key distribution based on orbital angular momentum, and the user encodes the orbital angular momentum state, which has the characteristics of good stability, high coding rate and strong scalability.

【技术实现步骤摘要】
一种实时跟踪补偿的OAM测量设备无关量子密钥分发系统及方法
本专利技术属于量子信息与光通信
，涉及一种实时跟踪补偿的OAM测量设备无关量子密钥分发系统及方法。
技术介绍
自1984年第一个量子密钥分发协议问世以来，量子密钥分发(QuantumKeyDistribution，QKD)一直被认为是量子信息科学中一项非常可行的技术。QKD允许两个远程用户(Alice和bob)根据量子物理定律生成具有理论上无条件安全的密钥。然而，在现实环境下，理想模型和实际设备之间存在差距。例如，一个理想的QKD协议需要一个理想的单光子源和探测器来保证其安全性。以目前的技术来看，理想的单光子源和探测器是难以实现的。这些器件的不理想使得QKD系统容易受到各种攻击。例如，光子数分裂攻击、时移攻击和致盲攻击等。为了克服这些困难，人们提出了设备无关的量子密钥分发的概念(DeviceindependentQuantumKeyDistribution，DI-QKD)。DI-QKD的安全性不取决于设备的特性，这意味着即使设备不理想，量子黑客也无法利用这一缺陷窃取到任何信息。因此，DI-QKD总是能保证无条件的理论安全。然而，DI-QKD的实现是一项艰难的挑战，它需要完美的Bell态测量和非常高效率的单光子检测技术，这是现有技术难以达到的。但最近提出的测量设备无关的量子密钥分发协议(MeasurmentDeviceIndependentQuantumKeyDistribution，MDI-QKD)，缩短了DI-QKD与实用化的距离，做到了部分QKD设备无关的量子通信，消除了所有与探测相关的安全漏洞。同时，该协议引入了诱骗态的方案，利用相位随机化使得光子态转化为光子数的混态，可很好预防光子数分裂攻击。人们已研发出多种MDI-QKD的实现方案，如偏振编码的方案、相位编码的方案和time-bin编码的方案等。MDI-QKD协议一次性解决了量子密钥系统测量端的所有漏洞问题，但在光源部分、调制部分和边信道部分等依旧存在影响安全的漏洞。如，传统MDI-QKD(专利：CN106712940)结合诱骗态引入了弱相干光源，降低了MDI-QKD系统对光源的要求，但用户双方使用的是各自独立的光源，各自发射光的光谱不一致。而利用这一差异，量子黑客可以区分光子的来源，进而窃取用户的密钥信息。针对光谱不一致的问题，人们提出了即插即用的MDI-QKD(文献：Liu,C.Q.atal.(2016).Polarization-Encoding-BasedMeasurement-Device-IndependentQuantumKeyDistributionwithaSingleUntrustedSource.ChinesePhysicsLetters,33(10).)，但其调制方案存在测量基参考系不完全匹配的问题，增加了误码率。对此，近期人们提出的基于轨道角动量态(OAM)编码的MDI-QKD方案(文献：WangL,ZhaoSM,GongLY,etal.Free-spacemeasurement-device-independentquantum-key-distributionprotocolusingdecoystateswithorbitalangularmomentum[J].ChinesePhysicsB,2015,24(12):120307.)，解决了参考系不完全匹配的问题，减小了误码率，但存在光谱不一致的问题，并且针对信道环境也没有很好的监测方法和信号补偿方法，因此，弱信号量子密钥分发系统性能极容易受到外界环境的影响。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种实时跟踪补偿的OAM测量设备无关量子密钥分发系统，该系统的测量单元利用脉冲激光器、偏振分束器和分束器将强光脉冲传输至用户端。用户端利用电荷耦合元件(CCD)和分束器进行监测与同步，通过变形镜进行相位畸变补偿，利用强度调制器和空间光调制器随机产生光子数小于1的具有轨道角动量的诱骗态和信号态光子，发送到中间的测量单元。测量单元对用户发送的光子态进行测量，并公布测量结果，用户根据测量的响应情况，经过基的对比和密钥协商等过程后，在本地产生一致的密钥。专利技术的又一目的是提出一种实时跟踪补偿的OAM测量设备无关量子密钥分发方法，可自然地实现光谱模式的匹配，同时可方便地实现实时的信道监测、脉冲强度和大气湍流强度的测量以及时钟同步等。为达到上述专利技术目的，本专利技术的技术方案实现如下：一种实时跟踪补偿的OAM测量设备无关量子密钥分发系统，包括：用户端Alice、用户端Bob和测量单元；所述用户端Alice和用户端Bob通过量子信道与测量单元连接，其中：所述测量单元包括：第一、二望远镜系统，第一50:50分束器，第一偏振分束器，脉冲激光器，第一至第四反射镜，第一、二M-Z干涉仪和第一至第四单光子探测器；所述测量单元的脉冲激光器发出基模高斯光束时，先经过第一偏振分束器的筛选将偏振模式为竖直偏振的基模高斯光反射至第一50∶50分束器分成两束，再分别经过第一反射镜和第二反射镜反射，最后通过所述第一望远镜系统和第二望远镜系统准直，通过量子信道分别发往用户端Alice和用户端Bob；用户端Alice和用户端Bob分别对来自测量单元的强脉冲激光实现信道环境实时监测、相位畸变补偿以及轨道角动量的编码后发往测试单元；所述测量单元的第一望远镜系统和第二望远镜系统分别接收来自用户端Alice和用户端Bob的信号脉冲时，此信号脉冲先经过所述第一反射镜和第二反射镜的反射，然后在第三50：50分束器处进行干涉，干涉后的脉冲分别经过第三反射镜和第四反射镜的反射，分别进入到第一M-Z干涉仪和第二M-Z干涉仪，被第一M-Z干涉仪和第二M-Z干涉仪分离后，进入第一至第四单光子探测器造成响应，输出测量结果；用户端Alice和用户端Bob根据测量的响应情况，经过基的对比和密钥协商等过程后，在本地产生一致的密钥。优选地，所述用户端Alice包括：第三望远镜系统，第一窄带滤波器，第一分束器，第一电荷耦合元件(CCD)，第一延时器，第二偏振分束器，第一变形镜，第二变形镜，第一半波片，第一空间光调制器和第一强度调制器；所述用户端Bob包括：第四望远镜系统，第二窄带滤波器，第二分束器，第二电荷耦合元件(CCD)，第二延时器，第三偏振分束器，第三变形镜，第四变形镜，第二半波片，第二空间光调制器和第二强度调制器。优选地，所述第一、二空间光调制器与所述第一、二强度调制器对脉冲进行随机调制；所述第一、二空间光调制器对轨道角动量进行编码时，随机选择四个态中的一个进行编码；其中{|o>，e>}为X基；为Y基；|o>和代表比特0；|e>和代表比特1；|o>和|e>分别代表拓扑荷数为奇数和偶数的轨道角动量态；所述第一、二强度调制器精确产生不同平均光子数强度的诱骗态和信号态光子。优选地，所述第三望远镜系统和第四望远镜系统均包括两个共焦的凸透镜，用于控制激光脉冲的尺度大小，控制激光光束的远场发散角；所述第一窄带滤波器和第二窄带滤波器用于滤除通信波段以外的光；所述第一分束器和第二分束器将入射脉冲激光分成强弱两路，分别为较强的上支路本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种实时跟踪补偿的OAM测量设备无关量子密钥分发系统，其特征在于，包括：用户端Alice、用户端Bob和测量单元；所述用户端Alice和用户端Bob通过量子信道与测量单元连接，其中：所述测量单元包括：第一、二望远镜系统，第一50:50分束器，第一偏振分束器，脉冲激光器，第一至第四反射镜，第一、二M‑Z干涉仪和第一至第四单光子探测器；所述测量单元的脉冲激光器发出基模高斯光束时，先经过第一偏振分束器的筛选将偏振模式为竖直偏振的基模高斯光反射至第一50:50分束器分成两束，再分别经过第一反射镜和第二反射镜反射，最后经过所述第一望远镜系统和第二望远镜系统进行准直，通过量子信道分别发往用户端Alice和用户端Bob；用户端Alice和用户端Bob分别对来自测量单元的脉冲激光实现信道环境实时监测、相位畸变补偿以及轨道角动量的编码后发往测试单元；所述测量单元的第一望远镜系统和第二望远镜系统分别接收来自用户端Alice和用户端Bob的信号脉冲时，此信号脉冲先经过所述第一反射镜和第二反射镜的反射，然后在第一50:50分束器处进行干涉，干涉后的脉冲分别经过第三反射镜和第四反射镜的反射，分别进入到第一M‑Z干涉仪和第二M‑Z干涉仪，被第一M‑Z干涉仪和第二M‑Z干涉仪分离后，分别进入第一至第四单光子探测器造成响应，输出测量结果；用户端Alice和用户端Bob根据测量的响应情况，经过基的对比和密钥协商等过程后，在本地产生一致的密钥。...

【技术特征摘要】
1.一种实时跟踪补偿的OAM测量设备无关量子密钥分发系统，其特征在于，包括：用户端Alice、用户端Bob和测量单元；所述用户端Alice和用户端Bob通过量子信道与测量单元连接，其中：所述测量单元包括：第一、二望远镜系统，第一50:50分束器，第一偏振分束器，脉冲激光器，第一至第四反射镜，第一、二M-Z干涉仪和第一至第四单光子探测器；所述测量单元的脉冲激光器发出基模高斯光束时，先经过第一偏振分束器的筛选将偏振模式为竖直偏振的基模高斯光反射至第一50:50分束器分成两束，再分别经过第一反射镜和第二反射镜反射，最后经过所述第一望远镜系统和第二望远镜系统进行准直，通过量子信道分别发往用户端Alice和用户端Bob；用户端Alice和用户端Bob分别对来自测量单元的脉冲激光实现信道环境实时监测、相位畸变补偿以及轨道角动量的编码后发往测试单元；所述测量单元的第一望远镜系统和第二望远镜系统分别接收来自用户端Alice和用户端Bob的信号脉冲时，此信号脉冲先经过所述第一反射镜和第二反射镜的反射，然后在第一50:50分束器处进行干涉，干涉后的脉冲分别经过第三反射镜和第四反射镜的反射，分别进入到第一M-Z干涉仪和第二M-Z干涉仪，被第一M-Z干涉仪和第二M-Z干涉仪分离后，分别进入第一至第四单光子探测器造成响应，输出测量结果；用户端Alice和用户端Bob根据测量的响应情况，经过基的对比和密钥协商等过程后，在本地产生一致的密钥。2.如权利要求1所述的一种实时跟踪补偿的OAM测量设备无关量子密钥分发系统，其特征在于，所述用户端Alice包括：第三望远镜系统，第一窄带滤波器，第一分束器，第一电荷耦合元件，第一延时器，第二偏振分束器，第一变形镜，第二变形镜，第一半波片，第一空间光调制器和第一强度调制器；所述用户端Bob包括：第四望远镜系统，第二窄带滤波器，第二分束器，第二电荷耦合元件，第二延时器，第三偏振分束器，第三变形镜，第四变形镜，第二半波片，第二空间光调制器和第二强度调制器。3.如权利要求2所述的一种实时跟踪补偿的OAM测量设备无关量子密钥分发系统，其特征在于，所述第一电荷耦合元件和第二电荷耦合元件用于实时监测激光脉冲的强度以及大气湍流造成的波前相位畸变，为时钟同步以及相位畸变补偿提供参考信息，所述第一、二变形镜和第三、四变形镜分别根据所述第一电荷耦合元件和第二电荷耦合元件提供的参考信息对波前相位进行畸变补偿。4.如权利要求2所述的一种实时跟踪补偿的OAM测量设备无关量子密钥分发系统，其特征在于，所述第一、二空间光调制器与所述第一、二强度调制器对脉冲进行随机调制；所述第一空间光调制器和第二空间光调制器对轨道角动量进行编码时，随机选择四个态中的一个进行编码；其中{|0>，|e>}为X基；为Y基；|0>和代表比特0；|e>和代表比特1；|o>和|e>分别代表拓扑荷数为奇数和偶数的轨道角动量态；所述第一、二强度调制器精确产生不同平均光子数强度的诱骗态和信号态光子。5.如权利要求2所述的一种实时跟踪补偿的OAM测量设备无关量子密钥分发系统，其特征在于，所述用户端Alice的第三望远镜系统接收来自测量单元的脉冲激光，然后经过第一窄带滤波器滤除通信波段以外的光，再经过第一分束器将入射的脉冲激光分成强弱两路，分别为较强的上支路和较弱的下支路；所述上支路连接第一电荷耦合元件用于实时监测激光脉冲的强度以及大气湍流造成的波前相位畸变，为时钟同步以及相位畸变补偿提供参考信息；所述下支路用于调制脉冲加载相位信息，依次连接第一延时器、第二偏振分束器、第一变形镜、第一半波片、第一空间光调制器、第一强度调制器和第二变形镜；分离到下支路的脉冲激光先进入第一延时器，经过一定的时延后进入第二偏振分束器，第二偏振分束器将脉冲激光反射至第一变形镜，第一变形镜根据上支路提供的参考信息对波前相位进行畸变补偿；补偿后的脉冲激光将被反射至第一半波片，第一半波片将其偏振态翻转90度后进入第一空间光调制器，第一空间光调制器对脉冲进行轨道角动量的编码；编码后的脉冲通过第一强度调制器被调制成不同平均光子数强度的轨道角动量信号态...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭邦红，何翼龙，
申请(专利权)人：华南师范大学，
类型：发明
国别省市：广东,44