[发明专利]一种M-Z型轨道角动量纠缠密钥分发方法与网络系统

说明书

本发明公开了一种M‑Z型轨道角动量纠缠密钥分发方法与网络系统，包括Alice控制端、M‑Z型复用单元和Bob用户端。Alice控制端包括纠缠产生单元、调制单元和符合测量单元；M‑Z型复用单元包括第一复用模块和第二复用模块；Bob用户端包括Bob1和Bob2用户。纠缠产生单元产生携带奇偶拓扑荷OAM纠缠的闲置光和信号光,其中信号光依次经过第一复用模块、调制单元、符合测量单元；闲置光依次经过第二复用模块、Bob用户端最后和信号光在符合测量单元汇合进行密钥分配与共享。本发明利用携带光束旋转器的M‑Z干涉仪可以分离奇数和偶数OAM的特性，实现了基于OAM纠缠奇偶拓扑荷调制编解码的大容量一对二QKD网络通信系统，工程应用性广泛和可扩展性强。

技术领域

本发明涉及自由空间通信与量子通信网络领域，具体地涉及一种M-Z型轨道角动量纠缠密钥分发方法与网络系统。

背景技术

传统密码技术的安全性由数学上的计算复杂度来保证，但随着目前计算能力的进步和提高，传统密码技术的安全性受到巨大威胁。而量子密码技术的安全性不依赖于计算的复杂度，其安全性以量子力学的海森堡测不准原理和未知量子态不可克隆原理为依据。量子密钥分发(Quantum Key Distribution，QKD)是以量子力学基本原理为基础，让处于不同地理位置的合法参与者(通常用Alice和Bob表示)分享密钥，而且在理论上是具有无条件安全性的。

在QKD光通信中，目前信息载体大多数是采用微弱光脉冲的偏振或相位。利用微弱光脉冲的偏振或相位只能实现二进制数据的传输。与这些自由度相比，轨道角动量(Orbital Angular Momentum，OAM)是一个新的自由度并可以作为数据信息载体。1992年，荷兰莱顿大学的Allen团队从理论上证明光子中含有确定的轨道角动量lh。光的OAM和复电场相位角有关,OAM来源于绕传播方向的相位波前。一个光子OAM值为lh对应螺旋形等相位面,螺旋相位项为exp(ilφ),l为OAM拓扑荷,l的正负代表旋转方向不同，φ为极坐标系中的极角。由于l可以取任意整数,所以单光子有无数个OAM正交本征态,即光子OAM具有高维特性。因此，若以光子OAM作为信息的载体来编码信息可以实现一个高维的Hilbert空间中多位量子态编码(qubits)，能够显著增大光子携带信息容量，提高编码安全性。

在QKD系统中，编码量子信息的载体分为单光子和纠缠光子对两种类型。由于纠缠光子对之间有较强的纠缠相关性，所以基于纠缠光子对的量子密钥分发系统具有更好的安全特性。2001年，Mair团队在实验上证明了自发参量下转换过程可以产生双光子OAM纠缠态。但目前大部分基于OAM的QKD是点对点应用，无法直接拓展到多用户网络应用，这成为限制其走向大规模应用的重要滞碍之一。

目前已有的QKD网络主要采用基于光学节点和可信中继的网络，其中光学节点可以采用光开关、分光器、波分复用器或者其他光学被动器件，基于可信中继的难点在于保持中继的可靠性，而且这些QKD网络器件的选择是针对相位或者偏振等其他自由度的。对于OAM自由度，目前最常用的QKD网络器件是达曼光栅，但达曼光栅制作复杂，对材料要求精准，OAM自由度被破坏只能用来复用多信道，不能利用OAM来编解码。当前，携带光束旋转器的M-Z干涉仪结构简单，不仅可以分离奇数和偶数OAM，而且没有破坏OAM自由度，从而，我们利用此装置既可以复用信道，还可以用OAM自由度来编解码进行大容量多用户的量子网络通信。因此，如何设计一个基于OAM纠缠且简单的多用户量子密钥分发系统就显得十分重要，其中，特别是不同通信安全级别的区域间一对二的网络通信，如同城经济圈数据服务、一校三区等区域之间的安全通信。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供了一种M-Z型轨道角动量纠缠密钥分发方法与网络系统。

本发明的技术方案是这样实现的：一种M-Z型轨道角动量纠缠密钥分发网络系统，包括Alice控制端、M-Z型复用单元和Bob用户端，