一种基于几何坐标变换的多用户QKD网络系统技术方案

本实用新型专利技术公开了一种基于几何坐标变换的多用户QKD网络系统，包括n层网络单元，所述n层网络单元包括信号发送装置、信号接收装置、波长路由装置和几何坐标变换型量子密钥接发单元；每一层网络单位中任意一个波长路由装置对应连接一个信号发送装置、信号接收装置或几何坐标变换型量子密钥接发单元,第n

【技术实现步骤摘要】
一种基于几何坐标变换的多用户QKD网络系统


[0001]本技术涉及量子信息与光通信
，具体涉及一种基于几何坐标变换的多用户QKD网络系统。

技术介绍

[0002]随着技术的发展，现有的基于计算复杂度的密码体系受到了挑战，一次一密技术被重视起来，因此基于量子力学原理，即海森堡测不准原理和量子态不可克隆原理的量子密钥分发(Quantum Key Distribution，QKD)技术受到了人们的青睐，其基于量子力学的安全性保证了信息的绝对安全性。量子密钥分发技术能让发送方Alice和接收方Bob以绝对安全的方式共享分享密钥。双方的密钥发送信道可以是自由空间或者光纤，对于普通的量子信号来说，我们通常使用光纤信道进行光纤光通信。而发送基于轨道角动量的量子信号时需要构建专用光纤，因此也常采用自由空间作为信道。
[0003]轨道角动量(Orbital Angular Momentum,OAM)具有高维特性，理论上有无限多个本征态，这使得单个光子在理论上可以承载无限量的信息，给数据传输容量的大幅提升提供了可能性。现在已经有不少利用光子的轨道角动量来实现高维量子系统的研究出现，例如用分振幅法产生双光束以实现干涉的M
‑
Z干涉仪，清楚地体现了量子力学中的路径选择问题，该干涉仪在QKD中有着重要应用。还有基于几何坐标变换的量子密钥分发方法，其方法最大特点是可实现无能量损耗的模式空间分离输出，有着良好的发展前景。
[0004]另一方面，扩展多用户量子网络成为量子通信发展的必然趋势。但现有的QKD技术都是基于点对点链接的。目前,由网络的组网拓扑结构决定了实现量子密钥分配主要有三种情况:网络中任意两个通信者之间的密钥分配，一点对多点之间的密钥分配，以及多点对多点的密钥分配。常见的几类典型QKD网络组网方案有树型、环形、总线型和网状型等网络拓扑结构，可以发现，相较于环形、总线型网络拓扑结构，网状型、树型的QKD网络拓扑方案有着较为简单的结构，在用户量较少的情况下网络性能有优势。
[0005]因此如何合理地分配点对点链接的资源，同时基于几何坐标变换的多用户QKD网络系统，将量子密钥分发从一个区域扩展到另外一个区域，增强通信安全性以及可靠性，降低多用户链接的成本是现有技术亟待解决的问题。
[0006]现有方案中采用基于M
‑
Z干涉仪实现多用户QKD网络系统及其密钥分发方法，其系统应用于光子态为轨道角动量时，系统实现成本较高，应用价值不大，因此仍需提出一种适用于轨道角动量的多用户QKD网络系统。
[0007]因此，有待对现有技术的不足进行改进，提出一种基于几何坐标变换的多用户QKD网络系统。

技术实现思路

[0008]本技术的目的是为了克服已有技术的缺陷，为了解决如何合理地分配点对点链接的资源以及降低多用户链接的成本，提出了一种基于几何坐标变换的多用户QKD网络
系统。
[0009]本技术通过下述技术方案实现的：
[0010]一种基于几何坐标变换的多用户QKD网络系统，包括n层网络单元，
[0011]所述n层网络单元包括信号发送装置、信号接收装置、波长路由装置和几何坐标变换型量子密钥接发单元，其中：
[0012]第一层网络单元包括1个信号发送装置和1个波长路由置；
[0013]第二层网络单元包括2个几何坐标变换型量子密钥接发单元和2个波长路由装置；
[0014]第n
‑
1层网络单元包括2
n
‑2个几何坐标变换型量子密钥接发单元和2
n
‑2个波长路由装置；
[0015]第n层网络单元包括2
n
‑1‑
4个信号接收装置和2
n
‑1‑
4波长路由装置；
[0016]每一层网络单位中任意一个波长路由装置对应连接一个信号发送装置、信号接收装置或几何坐标变换型量子密钥接发单元,第n
‑
1层的任意一个波长路由装置与第n层的两个波长路由装置通过光纤信道对应连接，从第一层到第n层顺序连接形成n层树型网络结构。
[0017]优选地，所述几何坐标变换型量子密钥接发单元包括信号发送装置或信号接收装置，所述信号发送装置用于发送光信号至波长路由装置；所述波长路由装置用于转发光信号；所述信号接收装置用于将该光信号转化为电信号。
[0018]优选地，所述信号发送装置通过光纤信道或大气信道与波长路由置连接。
[0019]优选地，所述信号发送装置包括依次连接的氦氖激光器、第一透镜L1、第二透镜L2、第一光衰减片R1、第一空间光调制器SLM1、中继透镜L3、镀膜透镜L4、第二光衰减片R2、第二空间光调制器SLM2、傅里叶变换透镜L5、第三光衰减片R3、第三空间光调制器SLM3和第三透镜L6。
[0020]优选地，所述氦氖激光器用于产生不同波长的光信号并输入到第一透镜L1和第二透镜L2；所述第一透镜L1和第二透镜L2用于对光信号进行扩束和准直。
[0021]优选地，所述第一光衰减片R1、第二光衰减片R2和第三光衰减片R3用于衰减光信号的光强。
[0022]优选地，所述第一空间光调制器SLM1用于对光信号的强度信息和相位信息进行编程并产生任意拉盖尔
‑
高斯模的叠加；
[0023]所述中继透镜L3和镀膜透镜L4用于选择一阶衍射光束；
[0024]所述第二空间光调制器SLM2作为转换光学元件用于变换图像；
[0025]所述傅里叶变换透镜L5用于进行几何坐标变换；
[0026]所述第三空间光调制器SLM3作为相位校正光学元件用于校正相位畸变；
[0027]所述第三透镜L6用于聚焦变换后的光束，将变换后光束的不同轨道角动量聚焦到指定的横向位置。
[0028]优选地，所述信号接收装置通过光纤信道或大气信道与波长路由置连接。
[0029]优选地，所述信号接收装置为电荷耦合器件。
[0030]优选地，所述波长路由装置采用波分复用器、阵列波导光栅、布拉格光栅或波长选择开关。
[0031]本技术的有益效果为：
[0032]1.本技术利用基于几何坐标变换的QKD方案，通过对衍射光学元件进行设计，使得所有OAM分量可以在空间上实现无能量损耗的分离，较好地实现了远距离传输。
[0033]2.本技术采用网状型网络结构，使得所有用户使用点对点进行连接，且只与邻层的相连，并且运用波分复用技术，减少了搭建轨道角动量专用光纤的数量，相较于网状结构降低了成本，可便捷低廉实现多用户的扩展和互通。
[0034]3.本技术在实际应用中，需要在网络中加入新的QKD终端节点时，只需要建立该节点与波长路由装置的连接端口之间的量子信道连接即可，不需要建立该节点和所有用户之间的连接，即本技术具有很好的扩展性。
附图说明
[0035]图1为本技术的系统整体框图；
[本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于几何坐标变换的多用户QKD网络系统，其特征在于，包括n层网络单元，所述n层网络单元包括信号发送装置、信号接收装置、波长路由装置和几何坐标变换型量子密钥接发单元，其中：第一层网络单元包括1个信号发送装置和1个波长路由置；第二层网络单元包括2个几何坐标变换型量子密钥接发单元和2个波长路由装置；第n
‑
1层网络单元包括2
n
‑2个几何坐标变换型量子密钥接发单元和2
n
‑2个波长路由装置；第n层网络单元包括2
n
‑1‑
4个信号接收装置和2
n
‑1‑
4波长路由装置；每一层网络单位中任意一个波长路由装置对应连接一个信号发送装置、信号接收装置或几何坐标变换型量子密钥接发单元,第n
‑
1层的任意一个波长路由装置与第n层的两个波长路由装置通过光纤信道对应连接，从第一层到第n层顺序连接形成n层树型网络结构。2.根据权利要求1所述的一种基于几何坐标变换的多用户QKD网络系统，其特征在于，所述几何坐标变换型量子密钥接发单元包括信号发送装置或信号接收装置，所述信号发送装置用于发送光信号至波长路由装置；所述波长路由装置用于转发光信号；所述信号接收装置用于将该光信号转化为电信号。3.根据权利要求1所述的一种基于几何坐标变换的多用户QKD网络系统，其特征在于，所述信号发送装置通过光纤信道或大气信道与波长路由置连接。4.根据权利要求3所述的一种基于几何坐标变换的多用户QKD网络系统，其特征在于，所述信号发送装置包括依次连接的氦氖激光器、第一透镜L1、第二透镜L2、第一光衰减片R1、第一空间光调制...

【专利技术属性】
技术研发人员：范啸东，郭邦红，谢欢文，
申请(专利权)人：广东国腾量子科技有限公司，
类型：新型
国别省市：