多用戶軌道角動量波分復用qkd網絡系統及其密鑰分發方法
【技術領域】
[0001] 本發明設及自由空間通信與量子通信網絡領域，具體設及一種多用戶軌道角動量 波分復用QKD網絡系統及其密鑰分發方法。
【背景技術】
[0002] 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antumKeyDist;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，其調制解調的自由度可W是波長、相位、振幅、強度W及熱點關注的軌道角 動量（OrbitalAngularMomen1:um，0AM)等。
[0003] 研究發現，光子可W攜帶兩種角動量：自旋角動量（SpinAngularMomentum,SAM) 和0AM。SAM與光子的圓偏振態有關，左旋圓偏振態IL>和右旋圓偏振態IR>作為自旋算符 的本征態，分別攜帶有±拓的SAM，利用光子的SAM只能實現一個量子位的編碼（對應一個 二維希爾伯特空間）；與SAM不同的是，OAM是一個新的自由度并可W加載數據信息。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癡。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值為熱對應螺旋形 等相位面，螺旋相位項為expaid))，！為OAM量子數，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。
[0004] 在量子密鑰分發系統中，編碼量子信息的載體可W有兩種類型：單光子和糾纏光 子對。由于糾纏光子對之間有較強的糾纏關聯，基于光子對糾纏態的量子通信具有通信容 量大、保密性強等優點。現有技術中提出了一種點對點的自旋-軌道角動量混合調制量子 密鑰分發方法及系統，每一對混合自旋-軌道角動量糾纏光子對可W加載超過一個比特的 編碼信息量，實現了大容量的量子編碼；并改進了基于"相互無偏基"量子密鑰分發系統的 編碼方法。另有基于OAM的保密通f目系統，其具有局效、穩定和低廉等優點，而且進一步提 高了OAM的調制編碼及解碼能力。
[0005] 但上述方案和目前的其它方案基于OAM混合糾纏的量子密鑰分發系統多數是點 對點的，改進和設計可擴展的多用戶OAM高維編碼量子密鑰分發系統就顯得十分重要。

【發明內容】

[0006] 本發明的目的在于克服現有技術的不足，提供一種多用戶軌道角動量波分復用 QKD網絡系統及其密鑰分發方法。
[0007] 本發明的技術方案是運樣實現的：多用戶軌道角動量波分復用QKD網絡系統，包 括Alice控制端、軌道角動量波分（0-W型）復用單元和Bob用戶端，其中：
[0008] 所述Alice控制端包括混合糾纏產生單元、SAM調制單元和符合測量單元，所述混 合糾纏產生單元包括多波長激光器MW-LD、波長篩選器WS、BBO晶體、第一單模光纖SMF和 q-plate相位板；所述SAM調制單元包括半波片HWP、偏振分束器PBS和第S單模光纖SMF; 所述符合測量單元包括第一單光子探測器、符合計數器和第二單光子探測器；
[0009] 所述O-W型復用單元由復用模塊和解復用模塊構成；
[0010] 所述Bob用戶端包括n個Bob用戶；
[0011] 所述多波長激光器MW-LD產生不同波長的激光脈沖，不同波長激光脈沖依次輸入 到波長篩選器WS和BBO晶體中，在所述BBO晶體參量下轉換過程產生攜帶不同波長SAM糾 纏的信號光和閑置光并分成兩光路：信號光路和閑置光路；
[0012] 所述信號光路路線：從所述BBO晶體輸出的n組不同波長激光脈沖依次輸入到所 述第一單模光纖SMF、半波片HWP、偏振分束器PBS、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符合計數器中；
[0013] 所述閑置光路路線：從所述BBO晶體輸出的n組不同波長激光脈沖依次輸入到所 述q-plate相位板、解復用模塊；在解復用模塊處輸入到所述Bob用戶端的n個Bob用戶中， 然后n個Bob用戶中輸出后在所述復用模塊處進行匯合，然后再輸入到第二單光子探測器 中，最后將探測結果輸入到所述符合計數器中與信號光路中的探測結果進行符合測量。優 選地，每個Bob用戶均包括直角棱鏡、計算機控制的空間光調制器SLM和第二單模光纖SMF; 所述解復用模塊的信號輸入到每個Bob用戶后依次經過所述直角棱鏡、計算機控制的空間 光調制器SLM和第二單模光纖SMF然后輸入到所述復用模塊中匯合。
[0014] 優選地，所述計算機控制的空間光調制器SLM與直角棱鏡的斜邊平行放置。
[0015] 多用戶軌道角動量波分復用QKD密鑰分發方法，包括權利上述的多用戶軌道角動 量波分復用QKD網絡系統，其包括W下步驟：
[0016] SI.多波長SAM-OAM糾纏光脈沖產生：多波長激光器MW-LD產生不同波長的脈沖， 任一波長都在BBO晶體的工作波段范圍內，根據合法用戶的通信需要，采用所述波長篩選 器WS篩選出需要波長的脈沖，篩選后的脈沖垂直照射BBO晶體，在BBO晶體參量下轉換產 生攜帶各種波長SAM糾纏態的信號光和閑置光；其中信號光路中的第一單模光纖SMF消除 了信號光路中OAM串擾的影響；所述閑置光路中q-plate相位板將閑置光中的SAM轉化為 0AM，由于糾纏效應，獲得了沒有OAM串擾的多波長SAM-OAM糾纏光脈沖；
[0017] S2.多波長糾纏態的O-W型復用：所述解復用模塊用于W波長尋址的方式將攜帶 各個波長混合糾纏態的閑置光發送給相應的不同Bob用戶；復用模塊用于W波長尋址的方 式將不同Bob用戶發送來的加載信息傳輸到符合測量單元中的第二單光子探測器；
[0018] S3.多用戶OAM的調制：不同波長的閑置光經過所述直角棱鏡改變光路后進入到 所述計算機控制的空間光調制器SLM，不同Bob用戶用計算機控制的空間光調制器SLM對相 應波長閑置光攜帶的OAM進行相位偏轉調制加載信息，對Bobl用戶來說，此時量子態為：
，對Bob2用戶來說，此時量子態為： W此類推，對Bobn用戶來說，此時量子
，再利用第二單模光纖SMF過濾并輸出 基模高斯模式的閑置光子，發送至所述O-W型復用單元中的復用模塊。 陽02引 S4.多波長SAM的調制：所述半波片冊P和偏振分束器PBS組成SAM調制器對不 同波長的信號光攜帶的SAM進行調制并將調制的禪合信號經過第S單模光纖SMF發送至符 合測量單元中的第一單光子探測器；
[0023] S5.多用戶密鑰分配與共享：Alice控制端和Bob用戶端分別通過單光子探測器記 錄下單位時間內到達的相同波長信號光子和閑置光子，并將記錄下的探測數據發送到符合 計數器進行符合測量，依據信號光子和閑置光子的相位偏轉調制信息，對于不同波長的Bob 用戶來說，符合測量計數值滿足關系式P( 0，X )、OC COS 2(X -0)，根據符合測量結果恢復 出編碼的密鑰并建立隨機秘密的序列作為原始密碼，經過密鑰篩選和隱私放大獲得安全密 鑰，從而完成多用戶密鑰分配與共享。
[0024] 進一步地，所述SI.多波長SAM-OAM糾纏光脈沖產生步驟中還包括W下步驟： 陽0巧]Sl-L多波長自旋糾纏對的產生：多波長激光器MW-LD產生不同波長的脈沖， 根據合法用戶的通信需要，波長篩選器WS篩選出需要波長的脈沖，篩選后的脈沖垂直 照射BBO晶體，BBO晶體通過參量下轉換產生SAM糾纏的信號光和閑置光，其量子態為
其中A代表脈沖的波長，A和B分別表示信號光子和閑 置光子，IL〉表不左旋圓偏振態并攜帶+友的SAM，IR〉表不右旋圓偏振態并攜帶-A的SAM;
[0026] S1-2.消除OAM的干擾：利用所述單模光纖SMF只允許基模高斯光通過的特性，在 所述信號光路中，Alice控制端采用第一單模光纖SMF篩選出OAM為零的基模高斯光，由于 糾纏效應，從而排除了信號光和閑置光中可能存在的OAM糾纏所帶來的串擾；
[0027] S1-3.多波長混合糾纏態的產生：在所述閑置光路中，q-plate相位板作用于閑置 光子，將閑置光子中的SAM自由度轉化為OAM自由度，由于糾纏效應，從而獲得SAM-OAM混 合糾纏態為
，運里OAM量子數取1，其中，入代 表脈沖的波長，A和B分別表示信號光子和閑置光子，IL〉表示左旋圓偏振態，IR〉表示右旋 圓偏振態，n代表SAM本征態，1代表OAM本征態。
[0028] 進一步地，所述S2多波長糾纏態的O-W型復用步驟中還包括W下步驟：
[0029] S2-1.解復用：所述解復用模塊W波長尋址的方式將攜帶各個波長混合糾纏態的 閑置光發送給相應的不同Bob用戶；
[0030] S2-2.復用：復用模塊用于W波長尋址的方式