[发明专利]一种基于轨道角动量的星地量子密钥分发方法

说明书

本发明公开了一种基于轨道角动量的星地量子密钥分发方法，包括：卫星Alice产生纠缠的光子对，将一个光子保持在身边，另一个光子通过量子通道发送至地面站Bob，Alice和Bob共同生成轨道角动量光子对，每个轨道角动量光子对处于最大纠缠状态；Alice随机选择N_B个MUB中的一个MUB，N_B≥2，随机选择不同的轨道角动量，对相应的光子执行d量度，将其编码为d符号，d量度包括大气湍流的影响，Bob执行相同操作；Alice和Bob将来自共同测量的光子对中的d符号保持在同一MUB中，以生成筛选密钥；Alice和Bob从筛选密钥里选择一部分比特进行对比，计算平均错误率，并将该部分密钥丢弃；基于平均错误率，对剩下的密钥进行纠错和隐私放大，产生最终密钥。该方法能够实现更高维度下OAM‑QKD的高成码率优势。

技术领域

本发明涉及一种基于轨道角动量的星地量子密钥分发方法，属于量子保密通信领域。

背景技术

作为量子通信中最重要的应用之一，量子密钥分发(Quantum Key Distribution，QKD)已被证明可以提供无条件的安全性。最近，基于卫星的QKD的实际实现指出了通向全球规模和高度安全的量子通信网络的道路。最初提出的QKD协议主要利用二维编码。但是，其他QKD协议已经推广到高维编码的情况，并且已经证明了它们的无条件安全性。量子信息可以在光子的任何自由度中进行编码，但是QKD的大多数主流实现方式都依赖于极化编码－一种典型的二维编码方案，该方案限制了QKD系统的容量。到本质上有界的希尔伯特空间。光的轨道角动量(Orbital Angular Momentum，OAM)被认为是用于量子通信的有希望的自由度。与光的偏振不同，光的OAM可以取任意整数值。相应的OAM本征态形成正交基，可以在理论上无穷维的希尔伯特空间内进行量子编码，从而为高容量量子通信开辟了新的可能性。

作为量子通信的关键资源，纠缠可以通过自发的参数下变频过程(SpontaneousParametric Down-Conversion，SPDC)在OAM中进行编码。在地面自由空间光学通道中，对湍流中OAM编码纠缠的分布进行了深入研究，并在3km上证实了一些分布。最近的一项实验表明，在超过100km的自由空间光学通道上，OAM纠缠分布是可行的。OAM-QKD的实现已在实验室条件下用二维和高维编码进行了证明。考虑到其他类型的介质，OAM-QKD还通过3m的水下链路和1.2km的光纤进行了演示。但是，有关OAM-QKD的大多数现有研究都没有考虑基于卫星部署的情况。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于轨道角动量的星地量子密钥分发方法，以利用量子信道信息在所有预期的情况下，包括在使用具有适当大小的接收器孔径的地面站的情况下，在广泛的尺寸范围内实现卫星到地面的基于轨道角动量的量子密钥分发。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于轨道角动量的星地量子密钥分发方法，其中，卫星和地面站分别表示为Alice和Bob，所述方法包括以下步骤：

Alice产生纠缠的光子对，将其中一个光子保持在身边，另一个光子通过量子通道发送至Bob，Alice和Bob共同生成轨道角动量光子对，每个轨道角动量光子对处于最大纠缠状态；

Alice随机选择N_B个MUB中的一个MUB，N_B≥2，随机选择不同的轨道角动量，对相应的光子执行d量度，将其编码为d符号，所述d量度包括大气湍流，Bob执行相同操作；

Alice和Bob两端进行符合计数，将来自共同测量的光子对中的d符号保持在同一MUB中，以生成筛选密钥；

Alice和Bob从筛选密钥里选择一部分比特进行对比，计算密钥分发过程中的平均错误率，并将该部分密钥丢弃；

基于所述平均错误率，对剩下的密钥进行纠错和隐私放大，产生最终密钥。