[实用新型]一种基于轨道角动量的多用户双场QKD网络系统

说明书

本实用新型提供了一种基于轨道角动量的多用户双场QKD网络系统，包含3个Alice方(发送方)和3个Bob方(发送方)，两个阵列波导光栅(AWG)和3个测量方；所述3个Alice方和3个Bob方可以实现任意Alice和任意Bob之间的通信；6个发送方分别与阵列波导光栅(AWG)相连接；阵列波导光栅(AWG)的特定波长出口与指定的测量方相连接；所述发送方(Alice方和Bob方)发送所制备的单光子，经过阵列波导光栅(AWG)后到达测量端发生单光子干涉，然后进行测量，形成码值。本实用新型提高了无中继量子密钥分发的通信距离，且可以抵抗一切针对测量端的攻击，增强了系统的安全性。

技术领域

本实用新型涉及多用户量子通信领域，具体涉及一种基于轨道角动量的双场QKD三用户系统。

背景技术

量子密钥分发是基于量子力学原理实现通信双方实现对称密钥协商的一项重要技术。在假设窃听者(Eve)存在的情况下，通信双方，即Alice和Bob，Alice和Bob利用产生的密钥结合一次一密协议可以实现理论上的绝对安全的保密通信。首个量子密钥分发协议是在1984年由Bennett等人提出的，被称为BB84协议，由于现实技术条件和理想情况存在差异，该协议存在着各种问题。在此后的几十年间，大量的科研工作者不断提出保密性更强，传输距离更远的量子密钥分发协议。2018年Lucamarini等人提出了双场量子密钥分发协议，简称TF-QKD(quantum key distribution，简称QKD，量子密钥分发)，即双场量子密钥分发协议，突破无量子中继的量子密钥分发协议传输距离的理论极限，还具有消除了探测系统侧信道的优点。但是，原始的双场QKD协议实现的是点到点的通信，并且采用了相位编码，存在参考系对准问题。随着技术的发展和社会的进步，显然点对点的用户之间的量子保密通信不能满足社会的需求，多用户之间的量子保密通信可以很好的解决这个问题，大大推动量子保密通信实用化进程。

轨道角动量是1992年由Allen等人发现并提出的，光子不仅有自旋角动量还有轨道角动量，它来源于光波的螺旋相位，他们发现具有相位结构的光场，其中是方位角，如拉盖尔高斯光束，平均每个光子带有的轨道角动量，其中，是任意整数。光子轨道角动量本征态在数学上构成了一组完备的正交基矢，因此可以利用轨道角动量来实现高维信息编码。含轨道角动量的态可以表示为

其中，表示的是用于编码的相对相位，b_A，B∈{0，π}其中0和π分别代表着编码中的0和1。

例如，发送方和接收方产生相干态

上式展示的是当调制的光束值为4时的光子态。

2020年Meng等人对利用轨道角动量进行TF-QKD进行了一些理论上的研究和模拟，但仅限于点对点的单用户之间的量子保密通信，并没有考虑多方的量子保密通信。

实用新型内容

本实用新型的目的是克服现有技术存在的问题，提出了一种传输距离长、传输信道容量大、可多方密钥分发的基于轨道角动量的三用户双场QKD系统。TF-QKD是目前较新的量子密钥分发协议，适合远距离的量子保密通信，而轨道角动量可以极大的扩展传输信道容量，对进行高维量子密钥分发有重要作用。本实用新型即结合两者的优点进行多用户间量子保密通信网络的搭建，满足多用户间量子保密通信的需求。

所述轨道角动量是1992年由Allen等人发现并提出的，是光子一个新的自由度。轨道角动量在无限希尔伯特空间有任意两个值都处于正交状态的性质，所以将轨道角动量运用到通信可以极大的拓展信道容量。