基于轨道角动量复用的量子密钥分发网络系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了包括Alice控制端，轨道角动量模分复用单元和Bob用户端，其中：所述Alice控制端包括信号调制单元和轨道角动量复用单元，所述轨道角动量模分复用单元包括伽利略望远镜组件和轨道角动量分离装置；所述Bob用户端包括N个Bob用户，每个Bob用户包括偏振控制器与探测装置；所述信号调制单元产生的光信号依次进入到轨道角动量复用单元、伽利略望远镜组件和轨道角动量分离装置，然后传送至对应所述Bob用户端的偏振控制器中，最后进入到所述探测装置进行探测。本发明专利技术实现了量子网络通信的一对多通信，且每个用户间相对独立，且用户数可由轨道角动量复用的增加而扩展，具有良好的扩展性与较高的可实施性。

Quantum key distribution network system and method based on orbital angular momentum reuse

The invention discloses a Alice control terminal, the orbital angular momentum mode multiplexing unit and Bob user terminal, wherein the Alice control terminal includes a signal modulation unit and OAM multiplexing unit, the orbital angular momentum mode multiplexing unit includes a Galileo telescope component and orbit angular momentum separation device; the Bob user end including N Bob users, Bob users each including a polarization controller and optical signal detection device; the signal modulation unit generates in turn into the orbital angular momentum of multiplexing unit, Galileo telescope components and orbital angular momentum separating device, and then transferred to the polarization controller corresponding to the Bob client, finally enter into the the detection device for detecting. The invention realizes the one to many communication of quantum network communication, and each user is relatively independent, and the number of users can be expanded by the increase of orbital angular momentum multiplexing, which has good expansibility and high feasibility.

【技术实现步骤摘要】
基于轨道角动量复用的量子密钥分发网络系统及方法
本专利技术涉及自由空间通信与多用户量子通信网络领域，具体涉及一种基于轨道角动量复用的量子密钥分发网络系统及方法
技术介绍
量子密钥分发在量子通信技术中发展最为迅速、技术最为成熟，其以通信的安全性成为实用化量子通信的先驱者。随着研究的深入，量子密钥分发技术的难点不断突破，量子密钥分发已经具备了大规模的应用的前景。然而，要实现全球的量子密钥分发网络，还需要突破距离的限制。目前，由于光纤损耗和探测器的不完美性等原因的限制，以光纤为信道的量子密钥分发的距离已基本达到极限，而光在大气中的损耗比在光纤中小，所以为实现远距离的单光子密码通信，发展对自由空间量子密钥分发网络的研究是实现全球量子通信的必经之路。自由空间通信中大气对于不同波长光的损耗不同，且衰减系数也会随着气象条件的变化而改变，所以需要选取合适的光源。其次，光在均匀的大气中近似沿直线传播，无法做到在光纤中传播时那样沿任意路径传输，另外，还需要考虑空间中障碍物的分布，以及大气中空气密度及其梯度等条件的变化对光传播路径的影响，所以需要设计合适的光路以及瞄准装置。此外，空间信道意味着信道无法与外部环境隔离，环境背景光也会进入信道而被探测器所接收，从而对探测过程造成干扰，所以要选择合适的接受装置去除外部杂散光的影响。大气的双折射效应很小，对在大气中传输的光子偏振态很小，因此光子的偏振态适合于自由空间的通信。除了光子的偏振态外，光子的另一个自由度，即轨道角动量绕传播方向旋转时，轨道角动量态保持不变，发送方和接收方不必实时调整参考系。所以，轨道角动量成为了自由空间量子信息物理载体的另一个选择。目前对于自由空间量子密钥分发方案的研究基本上是基于点对点的用户通信，而要实现一对多或是多对多的通信方案就必须解决量子信息传输的路由寻址的问题。轨道角动量(OAM)作为光学旋涡(OV)光束中描述螺旋波前特征的一个物理量，为自由空间的量子网络通信的复用提供了一个全新的自由度。当光束的振幅函数含有方位角相位项时，光束携带轨道角动量，这里的l是轨道角动量的特征值或是所谓的拓扑荷。理论上，l值是无穷的，这使运用轨道角动量状态作为信道复用的载体，为数据传输携带信号成为可能。无论是在经典通信系统还是量子通信系统，轨道角动量信道已被证实是绝对安全的。轨道角动量光束作为轨道角动量复用的信息载体，为增加自由空间量子通信系统的容量提供了潜在方法，如何将涡旋光束轨道角动量高效和非破坏分离是其应用于复用通信网络的前提，目前，轨道角动量(OAM)光子态测量方案主要有以下几种：1.常见的全息光栅测量法是利用涡旋光束与平面波的干涉图样制成全息图，将其二值化后制成振幅光栅。2.利用螺旋相位板(Q-plate)或空间调制器(SLM)，将特定阶数的OAM光子态转化为高斯光，并在后续光路中只允许高斯光通过，从实现某一特定阶数的OAM光子态的分离测量。3.利用保角变换，将OAM光子态转换为平面光，然后利用透镜将不同阶OAM光子态对应的平面光聚焦到不同的空间位置，从而实现OAM光子态的分离测量。上述方案要么分离效率很低，要么破坏了原来的量子态，也无法实现级联，且分离量子级别单光子轨道角动量还有很大的困难，这些缺点限制了OAM光子态在轨道角动量复用量子通信中的应用。因此，必须对现有的量子通信方式进行进一步地改进。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于轨道角动量复用的量子密钥分发网络系统及方法。该系统用光子偏振态来编码信息，光子轨道角动量作为复用寻址信道，实现自由空间的量子密钥分发。本专利技术的技术方案是这样实现的：包括Alice控制端，轨道角动量模分复用单元和Bob用户端，其中：所述Alice控制端包括信号调制单元和轨道角动量复用单元，所述轨道角动量复用单元包括空间光调制器和倒置伽利略望远镜组件；所述轨道角动量模分复用单元包括伽利略望远镜组件和轨道角动量分离装置；所述Bob用户端包括N个Bob用户，每个Bob用户包括偏振控制器与探测装置；所述信号调制单元产生的光信号依次进入到所述空间光调制器、倒置伽利略望远镜组件、伽利略望远镜组件和轨道角动量分离装置，然后所述轨道角动量分离装置根据光子携带的不同轨道角动量来决定光子从不同的端口输出；将所述轨道角动量分离装置输出的信号光子传送至对应所述Bob用户端的偏振控制器中，最后进入到所述探测装置进行探测。优选地，所述信号调制单元包括第一至第四4个弱相干光源，45度偏振片，135度偏振片，左旋圆偏振片和右旋圆偏振片，第一至第三分束器；所述第一至第四弱相干光源发射单光子态分别进入到所述45度偏振片，135度偏振片，左旋圆偏振片和右旋圆偏振片，然后从所述45度偏振片和135度偏振片传输出来的信号光子在所述第一分束器处耦合，从所述左旋圆偏振片和右旋圆偏振片传输出来的信号光子在所述第二分束器处耦合，所述第一分束器与第二分束器传输出来的信号光子统一在所述第三分束器处耦合，最后传输到所述轨道角动量复用单元中，所述第一至第三分束器为50：50分束器。其中，所述第一至第四4个弱相干光源为衰减到单光子水平的特定波长的激光光源，输出激光波长为1550nm，功率为1mw。初始时刻，所述45度偏振片，135度偏振片，左旋圆偏振片和右旋圆偏振片4个偏振片分别调整为45度偏振态|45°>，135度偏振态|135°>，左旋圆偏振|L>和右旋圆偏振|R>。初始时刻，根据随机数随机选择一个弱相干光源发射光子，光子入射到与其对应的偏振片完成对光子的偏振调制，经过所述偏振片调制后的单光子信号再通过所述第三分束器耦合至一路传输。所述四个弱相干光源和所述四个偏振片结合完成对信号光子的偏振编码过程。所述空间光调制器为纯相位型反射式液晶空间光调制器，是一种基于液晶分子电致双折射效应的有源数字光学器件，具有低电压、微功耗、小型化、轻量化、节能化、高密度化等特点，在调制光束的轨道角动量方面，具有衍射效率高、控制简单方便、可灵活变换等优势，能同时调制多个不同轨道角动量实现光信号束的复用，产生的轨道角动量对应接收端的用户数，可随用户数的扩展而增加；所述倒置伽利略望远镜组件由两个共焦的凸透镜组成，激光光束为高斯光束，具有一定的远场发散角，所述倒置伽利略望远镜组件压缩激光光束的远场发散角，经准直后的光束再发射到自由空间当中；所述伽利略望远镜组件主要由双曲面凸透镜组成，位于信号光子接收端，主要起光学天线和空间滤波器的作用，滤除空间中的杂散光。所述轨道角动量分离装置包括若干级联的M-Z干涉仪，每个M-Z干涉仪包括入射端口，第四分束器，第一反射镜，第一和第二达夫棱镜模块，第五分束器，出射反射端口，出射透射端口和第二反射镜；信号光子进入到空间光调制器后，依次穿过两个共焦的凸透镜和双曲面凸透镜，然后由入射端口进入到所述M-Z干涉仪中，然后进入到第四分束器形成第一光路和第二光路，其中第一光路路径为：一部分信号光子直接通过第一达夫棱镜模块进入到第二反射镜；第二光路路径为：另一部分信号光子通过第一反射镜后再进入到第二达夫棱镜模块，然后与第二反射镜反射过来的信号光子在所述第五分束器处耦合，最后分别从出射反射端口和出射透射端口射出。具本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于轨道角动量复用的量子密钥分发网络系统，其特征在于，包括Alice控制端，轨道角动量模分复用单元和Bob用户端，其中：所述Alice控制端包括信号调制单元和轨道角动量复用单元，所述轨道角动量复用单元包括空间光调制器和倒置伽利略望远镜组件；所述轨道角动量模分复用单元包括伽利略望远镜组件和轨道角动量分离装置；所述Bob用户端包括N个Bob用户，每个Bob用户包括偏振控制器与探测装置；所述信号调制单元产生的光信号依次进入到所述空间光调制器、倒置伽利略望远镜组件、伽利略望远镜组件和轨道角动量分离装置，然后所述轨道角动量分离装置根据光子携带的不同轨道角动量来决定光子从不同的端口输出；将所述轨道角动量分离装置输出的信号光子传送至对应Bob用户的偏振控制器中，最后进入到所述探测装置进行探测。

【技术特征摘要】
1.基于轨道角动量复用的量子密钥分发网络系统，其特征在于，包括Alice控制端，轨道角动量模分复用单元和Bob用户端，其中：所述Alice控制端包括信号调制单元和轨道角动量复用单元，所述轨道角动量复用单元包括空间光调制器和倒置伽利略望远镜组件；所述轨道角动量模分复用单元包括伽利略望远镜组件和轨道角动量分离装置；所述Bob用户端包括N个Bob用户，每个Bob用户包括偏振控制器与探测装置；所述信号调制单元产生的光信号依次进入到所述空间光调制器、倒置伽利略望远镜组件、伽利略望远镜组件和轨道角动量分离装置，然后所述轨道角动量分离装置根据光子携带的不同轨道角动量来决定光子从不同的端口输出；将所述轨道角动量分离装置输出的信号光子传送至对应Bob用户的偏振控制器中，最后进入到所述探测装置进行探测。2.如权利要求1所述的基于轨道角动量复用的量子密钥分发网络系统，其特征在于，所述信号调制单元包括第一至第四4个弱相干光源，45度偏振片，135度偏振片，左旋圆偏振片和右旋圆偏振片，第一至第三分束器；所述第一至第四弱相干光源发射单光子态分别进入到所述45度偏振片，135度偏振片，左旋圆偏振片和右旋圆偏振片中，然后从所述45度偏振片和135度偏振片传输出来的信号光子在所述第一分束器处耦合，从所述左旋圆偏振片和右旋圆偏振片传输出来的信号光子在所述第二分束器处耦合，所述第一分束器与第二分束器传输出来的信号光子统一在所述第三分束器处耦合，最后传输到所述轨道角动量复用单元中。3.如权利要求2所述的基于轨道角动量复用的量子密钥分发网络系统，其特征在于，所述倒置伽利略望远镜组件包括两个共焦的凸透镜，所述伽利略望远镜组件包括一个双曲面凸透镜；所述所述轨道角动量分离装置包括若干级联的M-Z干涉仪，每个M-Z干涉仪包括入射端口，第四分束器，第一反射镜，第一、第二达夫棱镜模块，第五分束器，出射反射端口，出射透射端口和第二反射镜；信号光子进入到空间光调制器后，依次穿过两个共焦的凸透镜和双曲面凸透镜，然后由入射端口进入到所述M-Z干涉仪中，接着进入到M-Z干涉仪的第四分束器中，在所述第四分束器处形成第一光路和第二光路，其中第一光路路径为：一部分信号光子直接通过第一达夫棱镜模块进入到第二反射镜；第二光路路径为：另一部分信号光子通过第一反射镜后再进入到第二达夫棱镜模块，然后与第二反射镜反射过来的信号光子在所述第五分束器处耦合，最后分别从出射反射端口和出射透射端口射出。4.如权利要求3所述的基于轨道角动量复用的量子密钥分发网络系统，其特征在于，所述第一、第二达夫棱镜模块均包括依次连接的达夫棱镜，第一四分之一波片和第一半波片。5.如权利要求3所述的基于轨道角动量复用的量子密钥分发网络系统，其特征在于，若干M-Z干涉仪级联从前至后依次连接，且任意...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭邦红，曾涵宇，
申请(专利权)人：华南师范大学，广东国腾量子科技有限公司，
类型：发明
国别省市：广东,44