本發明專利技術公開了一種M-Z型軌道角動量糾纏密鑰分發方法與網絡系統，包括Alice控制端、M-Z型復用單元和Bob用戶端。Alice控制端包括糾纏產生單元、調制單元和符合測量單元；M-Z型復用單元包括第一復用模塊和第二復用模塊；Bob用戶端包括Bob1和Bob2用戶。糾纏產生單元產生攜帶奇偶拓撲荷OAM糾纏的閑置光和信號光,其中信號光依次經過第一復用模塊、調制單元、符合測量單元；閑置光依次經過第二復用模塊、Bob用戶端最后和信號光在符合測量單元匯合進行密鑰分配與共享。本發明專利技術利用攜帶光束旋轉器的M-Z干涉儀可以分離奇數和偶數OAM的特性，實現了基于OAM糾纏奇偶拓撲荷調制編解碼的大容量一對二QKD網絡通信系統，工程應用性廣泛和可擴展性強。
【技術實現步驟摘要】
本專利技術設及自由空間通信與量子通信網絡領域，具體地設及一種M-Z型軌道角動 量糾纏密鑰分發方法與網絡系統。
技術介紹
傳統密碼技術的安全性由數學上的計算復雜度來保證，但隨著目前計算能力的進 步和提高，傳統密碼技術的安全性受到巨大威脅。而量子密碼技術的安全性不依賴于計算 的復雜度，其安全性W量子力學的海森堡測不準原理和未知量子態不可克隆原理為依據。 量子密鑰分發（如antum Key Dist;ribution，QKD)是W量子力學基本原理為基礎，讓處于不 同地理位置的合法參與者（通常用Alice和Bob表示）分享密鑰，而且在理論上是具有無 條件安全性的。 在QKD光通信中，目前信息載體大多數是采用微弱光脈沖的偏振或相位。利用 微弱光脈沖的偏振或相位只能實現二進制數據的傳輸。與運些自由度相比，軌道角動量 (化bital Angular Momentum, 0AM)是一個新的自由度并可W作為數據信息載體。1992年， 荷蘭萊頓大學的Alien團隊從理論上證明光子中含有確定的軌道角動量化。光的OAM和 復電場相位角有關，OAM來源于繞傳播方向的相位波前。一個光子OAM值為化對應螺旋形 等相位面，螺旋相位項為expaid))，！為OAM拓撲荷，1的正負代表旋轉方向不同，d)為 極坐標系中的極角。由于1可W取任意整數，所W單光子有無數個OAM正交本征態，即光 子OAM具有高維特性。因此，若W光子OAM作為信息的載體來編碼信息可W實現一個高維 的HHbed空間中多位量子態編碼（qubits)，能夠顯著增大光子攜帶信息容量，提高編碼 安全性。 在QKD系統中，編碼量子信息的載體分為單光子和糾纏光子對兩種類型。由于糾 纏光子對之間有較強的糾纏相關性，所W基于糾纏光子對的量子密鑰分發系統具有更好的 安全特性。2001年，Mair團隊在實驗上證明了自發參量下轉換過程可W產生雙光子OAM糾 纏態。但目前大部分基于OAM的QKD是點對點應用，無法直接拓展到多用戶網絡應用，運成 為限制其走向大規模應用的重要滯礙之一。 目前已有的Q邸網絡主要采用基于光學節點和可信中繼的網絡，其中光學節點可 W采用光開關、分光器、波分復用器或者其他光學被動器件，基于可信中繼的難點在于保持 中繼的可靠性，而且運些Q邸網絡器件的選擇是針對相位或者偏振等其他自由度的。對于 OAM自由度，目前最常用的QKD網絡器件是達曼光柵，但達曼光柵制作復雜，對材料要求精 準，OAM自由度被破壞只能用來復用多信道，不能利用OAM來編解碼。當前，攜帶光束旋轉 器的M-Z干設儀結構簡單，不僅可W分離奇數和偶數0AM，而且沒有破壞OAM自由度，從而， 我們利用此裝置既可W復用信道，還可W用OAM自由度來編解碼進行大容量多用戶的量子 網絡通信。因此，如何設計一個基于OAM糾纏且簡單的多用戶量子密鑰分發系統就顯得十 分重要，其中，特別是不同通信安全級別的區域間一對二的網絡通信，如同城經濟圈數據服 務、一校=區等區域之間的安全通信。
技術實現思路
本專利技術的目的在于克服現有技術的不足，提供了一種M-Z型軌道角動量糾纏密鑰 分發方法與網絡系統。 本專利技術的技術方案是運樣實現的：一種M-Z型軌道角動量糾纏密鑰分發網絡系 統，包括Alice控制端、M-Z型復用單元和Bob用戶端， 所述Alice控制端包括糾纏產生單元、調制單元和符合測量單元，所述糾纏產生 單元包括累浦光源LD、第一全反射鏡和BBO晶體； 所述M-Z型復用單元包括第一復用模塊和第二復用模塊，其中所述第一復用模塊 包括第一分束器BS、第二分束器BS、第一光束旋轉器BR和第二至第五共四個全反射鏡；所 述第二復用模塊包括第=分束器BS、第四分束器BS、第二光束旋轉器BR和第六至第九共四 個全反射鏡； 所述Bob用戶端包括Bob 1和Bob2用戶； 所述累浦光源LD產生累浦激光脈沖，所述激光脈沖經第一全反射鏡改變傳播方 向后輸入到BBO晶體中，在所述BBO晶體參量下轉換過程產生攜帶奇偶拓撲荷OAM糾纏態 的信號光和閑置光并分成兩光路：信號光路和閑置光路； 所述信號光路路線：從所述BBO晶體輸出的攜帶奇偶拓撲荷OAM糾纏態的激光脈 沖依次輸入到所述第二全反射鏡，然后改變光路后進入到所述第一分束器BS，接著信號光 W 50 :50的比例分成兩束，其中一束信號光經過第四全反射鏡改變傳播方向后直接傳輸到 第二分束器BS，另一束信號光經過第S全反射鏡改變光路后經過第一光束旋轉器BR也同 時進入到第二分束器BS ;所述兩束信號光在所述第二分束器處BS處發生干設，干設后出射 的兩束光分別進入到所述調制單元，最后進入到所述符合測量單元進行測量； 所述閑置光路路線：從所述BBO晶體輸出的攜帶奇偶拓撲荷OAM糾纏態的激光脈 沖依次輸入到所述第六全反射鏡然后改變光路后進入到第=分束器BS，接著閑置光W 50 : 50比例分成兩束，其中一束閑置光經過第八全反射鏡改變傳播方向后直接傳輸到所述第 四分束器BS，另一束閑置光經過第屯全反射鏡改變光路后經過第二光束旋轉器BR也同時 進入所述第四分束器BS ;然后所述兩束閑置光在所述第四分束器BS處發生干設，干設后出 射的兩束光分別進入到Bob用戶端，最后與所述信號光一起進入到所述符合測量單元進行 測量。 具體地，所述調制單元包括并列的第S和第四計算機控制的空間光調制器SLM W 及并列的第S和第四兩條單模光纖SMF，其中所述第S計算機控制的空間光調制器SLM與 第S單模光纖SMF連接，所述第四計算機控制的空間光調制器SLM與第四單模光纖SMF連 接；所述第S計算機控制的空間光調制器SLM直接與所述第二分束器BS連接，所述第S單 模光纖SMF與所述符合測量單元連接；所述第四計算機控制的空間光調制器SLM通過第五 全反射鏡與所述第二分束器BS連接，所述第四單模光纖SMF與所述符合測量單元連接。 具體地，所述Bobl用戶包括第二計算機控制的空間光調制器SLM和與其連接的第 二單模光纖SMF ;所述Bob2用戶包括第一計算機控制的空間光調制器SLM和與其連接的第 一單模光纖SMF ;所述第二計算機控制的空間光調制器SLM通過第九全反射鏡與所述第四 分束器BS連接，第二單模光纖SMF與所述符合測量單元連接；所述第一計算機控制的空間 光調制器SLM與所述第四分束器BS連接，第一單模光纖SMF與所述符合測量單元連接。 優選地，所述符合測量單元包括第一至第四共四個單光子探測器W及第一符合計 數器和第二符合計數器；所述信號光路路線和閑置光路路線進入所述符合測量單元時的具 體光路路線如下： 信號光路路線：從所述BBO晶體輸出的攜帶偶拓撲荷OAM糾纏態的激光脈沖依次 輸入到所述第一復用模塊、第S計算機控制的空間光調制器SLM、第S單模光纖SMF、第一 單光子探測器最后將其探測結果輸入到所述第一符合計數器中；從所述BBO晶體輸出的攜 帶奇拓撲荷OAM糾纏態的激光脈沖依次輸入到所述第一復用模塊、第四計算機控制的空間 光調制器SLM、第四單模光纖SMF、第S單光子探測器最后將其探測結果輸入到所述第二符 合計數器中；[001引閑置光路路線：從所述BBO晶體輸出的攜帶偶拓撲荷OAM糾纏態的激光脈沖依次 輸入到所述第二復本文檔來自技高網...
【技術保護點】
一種M?Z型軌道角動量糾纏密鑰分發網絡系統，包括Alice控制端、M?Z型復用單元和Bob用戶端，其特征在于：所述Alice控制端包括糾纏產生單元、調制單元和符合測量單元，所述糾纏產生單元包括泵浦光源LD、第一全反射鏡和BBO晶體；所述M?Z型復用單元包括第一復用模塊和第二復用模塊，其中第一復用模塊包括第一分束器BS、第二分束器BS、第一光束旋轉器BR和第二至第五共四個全反射鏡；所述第二復用模塊包括第三分束器BS、第四分束器BS、第二光束旋轉器BR和第六至第九共四個全反射鏡；所述Bob用戶端包括Bob1和Bob2用戶；所述泵浦光源LD產生泵浦激光脈沖，所述激光脈沖經第一全反射鏡改變傳播方向后輸入到BBO晶體中，在所述BBO晶體參量下轉換過程產生攜帶奇偶拓撲荷OAM糾纏態的信號光和閑置光并分成兩光路：信號光路和閑置光路；所述信號光路路線：從所述BBO晶體輸出的攜帶奇偶拓撲荷OAM糾纏態的激光脈沖依次輸入到所述第二全反射鏡，然后改變光路后進入到所述第一分束器BS，接著信號光以50：50的比例分成兩束,其中一束信號光經過第四全反射鏡改變傳播方向后直接傳輸到第二分束器BS，另一束信號光經過第三全反射鏡改變光路后經過第一光束旋轉器BR也同時進入到第二分束器BS；所述兩束信號光在所述第二分束器處BS處發生干涉，干涉后出射的兩束光分別進入到所述調制單元，最后進入到所述符合測量單元進行測量；所述閑置光路路線：從所述BBO晶體輸出的攜帶奇偶拓撲荷OAM糾纏態的激光脈沖依次輸入到所述第六全反射鏡然后改變光路后進入到第三分束器BS，接著閑置光以50：50比例分成兩束,其中一束閑置光經過第八全反射鏡改變傳播方向后直接傳輸到所述第四分束器BS，另一束閑置光經過第七全反射鏡改變光路后經過第二光束旋轉器BR也同時進入所述第四分束器BS；然后所述兩束閑置光在所述第四分束器BS處發生干涉，干涉后出射的兩束光分別進入到Bob用戶端，最后與所述信號光一起進入到所述符合測量單元進行測量。...
【技術特征摘要】
【專利技術屬性】
技術研發人員：郭邦紅，郭建軍，范榕華，張文杰，
申請(專利權)人：華南師范大學，
類型：發明
國別省市：廣東;44
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