[发明专利]基于光子轨道角动量编码的量子安全直接通信方法

摘要

本发明实现了一种基于光子轨道角动量编码的量子安全直接通信方法，构造了两个幺正算符，给出两组完备的本征量子态；进行量子安全直接通信时，基于本征量子态空间，接收方随机制备一组光子序列发给发送方；发送方从光子序列中随机选取校验光子进行或者的测量，通过公开信道比对测量基和测量结果；根据测量结果的误码率判断通信信道是否安全，信道安全时，发送方对光子进行编码操作；接收方对接收到的光子进行测量，对比光子轨道角动量的初始状态和最终状态，获取发送方所进行的编码操作，构造出发送方发送的编码逻辑比特信息。本发明利用光子轨道角动量编码，提高了量子安全直接通信的通信容量和频谱效率。

主权项

一种基于光子轨道角动量编码的量子安全直接通信方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1：进行量子态编码；设高维度量子空间的维度为p，p为大于2的整数；构造量子空间中的轨道角动量相位控制算符参数ω＝ei2π/p，ω表示路径自由度；构造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{|ψt＞}；其中，参数sj＝j+(j+1)+...+(p‑1)，k表示0,1,2,...,p‑1中任意数值；步骤2：进行量子安全直接通信，设通信中的发送方为Alice和接收方为Bob，通信开始前，通信双方预先选定维度空间p，具体通信过程包括步骤2.1～步骤2.4；步骤2.1：接收方Bob随机制备一组光子序列，其内光子的轨道角动量状态随机的处在本征量子态空间{|t＞,t＝0,1,2,...,p‑1}或者{|ψt＞}中；Bob将光子序列发送给Alice；步骤2.2：Alice接收Bob发送来的光子序列，从光子序列中随机选出一部分光子作为校验光子，则光子序列中除去校验光子的剩余光子为待编码光子；Alice将校验光子随机进行或/和的测量，获取校验光子的角动量状态；然后Alice和Bob通过公开信道比对测量基和测量结果；步骤2.3：如果Alice和Bob比对的测量结果的误码率低于信道的安全阈值，则通信信道是安全，否则，通信信道不安全；若通信信道安全，Alice对待编码光子进行编码操作；编码操作过程是：根据需要传输的h进制信息序列，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)；Alice将完成编码操作的光子发送给Bob；若通信信道不安全，则停止当前通信；步骤2.4：Bob接收到光子后，根据制备光子序列时选择的本征量子态空间，对每一个光子在其本征量子态空间中进行测量，获取光子的轨道角动量状态；对比光子的轨道角动量的初始状态和最终状态，Bob获取Alice所进行的编码操作，构造出Alice发送的编码逻辑比特信息；所述的发送方Alice，级联p个轨道角动量分离器，校验光子通过级联的p个轨道角动量分离器，随机进行或/和操作，其中操作通过相移片完成，操作通过四分之一波片和全息片共同作用实现；输出的不同轨道角动量值的光子分量沿不同路径输出，路径上标记有轨道角动量值ωj。