[发明专利]基于光子轨道角动量编码实现的高容量量子秘密共享方法

说明书

技术领域

本发明属于量子通信技术领域，具体涉及一种基于光子轨道角动量高维编码实现的量子秘密共享方法。

背景技术

经典秘密共享方案是在三方实现的，其中一方作为主导方，需要把加密密钥分发给两个接收方，由于可能存在不信任的一方，所以接收者需要联合起来才能读取加密密钥。现有的量子秘密共享方案是基于单光子的偏振编码实现。为了实现量子秘密信息共享，信息的发送者利用两组分或者三组分纠缠光子作为信息比特，然后将纠缠光子通过光纤或者自由空间传输，送达接收方。双方经过安全监测，然后随机地选取测量基。在三方同时选择相同测量基准的情况下，可以得到有用的结果。接收方将分别得到的秘密信息联合做异或运算，即可生成主导方发送的秘密信息。传统的秘密共享方案中，利用的是光子的偏振自由度，或者相位自由度上，由于光子的偏振自由度和相位自由度都是二维编码空间，所以编码容量受局限，从而直接影响了量子秘密共享的信息传输速率。

光子轨道角动量是1992年科学家通过实验证实的，对于同一频率的电磁波，理论上可以有无穷多个不同轨道角动量的取值。在2010年，吕宏，柯熙政公开了《光束轨道角动量的量子通信编码方法研究》，利用高阶Bessel无衍射光束具有轨道角动量设计了一种量子编码方案。2012年，郭建军，郭邦红，程广明等公开了《光子轨道角动量在量子通信中应用的研究进展》，介绍了利用光子轨道角动量实现的量子密钥分配实验方案，为光子轨道角动量在量子通信中的应用提供了思路。目前，研究人员在量子密钥分配方案中已经开始利用光子轨道角动量开展研究，利用光子轨道角动量实现编码，完成密钥的安全传输，但目前仍然存量子秘密共享方案中信道传输容量低的问题，且轨道角动量目前还没有应用到量子安全直接通信中，实现信息的直接传输。

发明内容

本发明的目的在于克服现有量子秘密共享方案中信道传输容量低的不足，设计一种利用光子轨道角动量实现信息编码、解码的高容量量子秘密共享方案。

为实现以上目的，本发明提供了一种基于光子轨道角动量编码实现的高容量量子秘密共享方法，具体通过以下步骤实现：

步骤1：进行量子态编码；

设高维度量子空间的维度为p，其中一组完备的本征量子态表示为{|0>,|1>,...,|p-1>}，p为大于2的整数；

构造两个幺正算符，分别是：

量子空间中的轨道角动量相位控制算符参数ω＝e^i2π/p；

量子空间中的轨道角动量大小控制算符

构造量子态编码的具体形式，为两组完备的本征量子态，其形式表示为：

{|t>,t＝0,1,2,...,p-1}以及{|ψ_t>}，

其中参数s_j＝j+(j+1)+...+(p-1)，k表示0,1,2,...,p-1中任意数值。

在本发明的高容量量子秘密共享方法中，利用光子的轨道角动量量子态记录量子操作信息，通过p维空间的幺正算符作为量子操作加载编码信息。

步骤2：进行环形量子秘密共享通信，设通信三方为Alice、Bob和Charlie，其中Alice将光子序列发送给Bob，Bob编码操作以后发送给Charlie，Charlie编码操作以后发送给Alice；通信开始前，预先选定维度空间p，具体的通信过程包括步骤2.1～步骤2.4。

这里Alice是通信方案中的主导方(Boss)，而Bob和Charlie是两个信息的接收方。

步骤2.1：通信开始后，信息的发送方Alice随机地制备一组光子序列，其内每个光子的轨道角动量状态随机处在本征量子态空间{|t>,t＝0,1,2,...,p-1}，或者{|ψ_t>}中；Alice将制备的光子序列发送给Bob。

步骤2.2：Bob接收到一个光子序列后，从该光子序列中随机地选出一部分光子作为校验光子，则该光子序列中除去校验光子的剩余光子为待编码光子；Bob对校验光子随机在或者/和空间进行测量；然后Bob对待编码光子随机进行编码操作，将编码完成的光子发送给Charlie。

Bob在待编码光子上根据自己的密钥字串进行编码操作，具体是：对待编码光子的轨道角动量，根据需要传输的h进制信息序列，随机的选取或者进行操作，利用操作编码逻辑比特0，利用操作编码逻辑比特h，其中为单位矩阵，h的取值范围为(1,2,...,p-1)。