一种m-z型轨道角动量纠缠密钥分发方法与网络系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及自由空间通信与量子通信网络领域，具体地设及一种M-Z型轨道角动 量纠缠密钥分发方法与网络系统。
【背景技术】
[0002] 传统密码技术的安全性由数学上的计算复杂度来保证，但随着目前计算能力的进 步和提高，传统密码技术的安全性受到巨大威胁。而量子密码技术的安全性不依赖于计算 的复杂度，其安全性W量子力学的海森堡测不准原理和未知量子态不可克隆原理为依据。 量子密钥分发（如antum Key Dist;ribution，QKD)是W量子力学基本原理为基础，让处于不 同地理位置的合法参与者（通常用Alice和Bob表示）分享密钥，而且在理论上是具有无 条件安全性的。
[0003] 在QKD光通信中，目前信息载体大多数是采用微弱光脉冲的偏振或相位。利用 微弱光脉冲的偏振或相位只能实现二进制数据的传输。与运些自由度相比，轨道角动量 (化bital Angular Momentum, 0AM)是一个新的自由度并可W作为数据信息载体。1992年， 荷兰莱顿大学的Alien团队从理论上证明光子中含有确定的轨道角动量化。光的OAM和 复电场相位角有关，OAM来源于绕传播方向的相位波前。一个光子OAM值为化对应螺旋形 等相位面，螺旋相位项为expaid))，！为OAM拓扑荷，1的正负代表旋转方向不同，d)为 极坐标系中的极角。由于1可W取任意整数，所W单光子有无数个OAM正交本征态，即光 子OAM具有高维特性。因此，若W光子OAM作为信息的载体来编码信息可W实现一个高维 的HHbed空间中多位量子态编码（qubits)，能够显著增大光子携带信息容量，提高编码 安全性。
[0004] 在QKD系统中，编码量子信息的载体分为单光子和纠缠光子对两种类型。由于纠 缠光子对之间有较强的纠缠相关性，所W基于纠缠光子对的量子密钥分发系统具有更好的 安全特性。2001年，Mair团队在实验上证明了自发参量下转换过程可W产生双光子OAM纠 缠态。但目前大部分基于OAM的QKD是点对点应用，无法直接拓展到多用户网络应用，运成 为限制其走向大规模应用的重要滞碍之一。
[0005] 目前已有的Q邸网络主要采用基于光学节点和可信中继的网络，其中光学节点可 W采用光开关、分光器、波分复用器或者其他光学被动器件，基于可信中继的难点在于保持 中继的可靠性，而且运些Q邸网络器件的选择是针对相位或者偏振等其他自由度的。对于 OAM自由度，目前最常用的QKD网络器件是达曼光栅，但达曼光栅制作复杂，对材料要求精 准，OAM自由度被破坏只能用来复用多信道，不能利用OAM来编解码。当前，携带光束旋转 器的M-Z干设仪结构简单，不仅可W分离奇数和偶数0AM，而且没有破坏OAM自由度，从而， 我们利用此装置既可W复用信道，还可W用OAM自由度来编解码进行大容量多用户的量子 网络通信。因此，如何设计一个基于OAM纠缠且简单的多用户量子密钥分发系统就显得十 分重要，其中，特别是不同通信安全级别的区域间一对二的网络通信，如同城经济圈数据服 务、一校=区等区域之间的安全通信。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供了一种M-Z型轨道角动量纠缠密钥 分发方法与网络系统。
[0007] 本发明的技术方案是运样实现的：一种M-Z型轨道角动量纠缠密钥分发网络系 统，包括Alice控制端、M-Z型复用单元和Bob用户端，
[0008] 所述Alice控制端包括纠缠产生单元、调制单元和符合测量单元，所述纠缠产生 单元包括累浦光源LD、第一全反射镜和BBO晶体；
[0009] 所述M-Z型复用单元包括第一复用模块和第二复用模块，其中所述第一复用模块 包括第一分束器BS、第二分束器BS、第一光束旋转器BR和第二至第五共四个全反射镜；所 述第二复用模块包括第=分束器BS、第四分束器BS、第二光束旋转器BR和第六至第九共四 个全反射镜；
[0010] 所述Bob用户端包括Bob 1和Bob2用户；
[0011] 所述累浦光源LD产生累浦激光脉冲，所述激光脉冲经第一全反射镜改变传播方 向后输入到BBO晶体中，在所述BBO晶体参量下转换过程产生携带奇偶拓扑荷OAM纠缠态 的信号光和闲置光并分成两光路：信号光路和闲置光路；
[0012] 所述信号光路路线：从所述BBO晶体输出的携带奇偶拓扑荷OAM纠缠态的激光脉 冲依次输入到所述第二全反射镜，然后改变光路后进入到所述第一分束器BS，接着信号光 W 50 :50的比例分成两束，其中一束信号光经过第四全反射镜改变传播方向后直接传输到 第二分束器BS，另一束信号光经过第S全反射镜改变光路后经过第一光束旋转器BR也同 时进入到第二分束器BS ;所述两束信号光在所述第二分束器处BS处发生干设，干设后出射 的两束光分别进入到所述调制单元，最后进入到所述符合测量单元进行测量；
[0013] 所述闲置光路路线：从所述BBO晶体输出的携带奇偶拓扑荷OAM纠缠态的激光脉 冲依次输入到所述第六全反射镜然后改变光路后进入到第=分束器BS，接着闲置光W 50 : 50比例分成两束，其中一束闲置光经过第八全反射镜改变传播方向后直接传输到所述第 四分束器BS，另一束闲置光经过第屯全反射镜改变光路后经过第二光束旋转器BR也同时 进入所述第四分束器BS ;然后所述两束闲置光在所述第四分束器BS处发生干设，干设后出 射的两束光分别进入到Bob用户端，最后与所述信号光一起进入到所述符合测量单元进行 测量。
[0014] 具体地，所述调制单元包括并列的第S和第四计算机控制的空间光调制器SLM W 及并列的第S和第四两条单模光纤SMF，其中所述第S计算机控制的空间光调制器SLM与 第S单模光纤SMF连接，所述第四计算机控制的空间光调制器SLM与第四单模光纤SMF连 接；所述第S计算机控制的空间光调制器SLM直接与所述第二分束器BS连接，所述第S单 模光纤SMF与所述符合测量单元连接；所述第四计算机控制的空间光调制器SLM通过第五 全反射镜与所述第二分束器BS连接，所述第四单模光纤SMF与所述符合测量单元连接。
[0015] 具体地，所述Bobl用户包括第二计算机控制的空间光调制器SLM和与其连接的第 二单模光纤SMF ;所述Bob2用户包括第一计算机控制的空间光调制器SLM和与其连接的第 一单模光纤SMF ;所述第二计算机控制的空间光调制器SLM通过第九全反射镜与所述第四 分束器BS连接，第二单模光纤SMF与所述符合测量单元连接；所述第一计算机控制的空间 光调制器SLM与所述第四分束器BS连接，第一单模光纤SMF与所述符合测量单元连接。
[0016] 优选地，所述符合测量单元包括第一至第四共四个单光子探测器W及第一符合计 数器和第二符合计数器；所述信号光路路线和闲置光路路线进入所述符合测量单元时的具 体光路路线如下：
[0017] 信号光路路线：从所述BBO晶体输出的携带偶拓扑荷OAM纠缠态的激光脉冲依次 输入到所述第一复用模块、第S计算机控制的空间光调制器SLM、第S单模光纤SMF、第一 单光子探测器最后将其探测结果输入到所述第一符合计数器中；从所述BBO晶体输出的携 带奇拓扑荷OAM纠缠态的激光脉冲依次输入到所述第一复用模块、第四计算机控制的空间 光调制器SLM、第四单模光纤SMF、第S单光子探测器最后将其探测结果输入到所述第二符 合计数器中；
[001引闲置光路路线：从所述BBO晶体输出的携带偶拓扑荷OAM纠缠态的激光脉冲依次 输入到所述第二复用模块、第一计算机控制的空间光调制器SLM、第一单模光纤SMF、第二 单光子探测器最后将其探测结果输入到所述第一符合计数器中；从所述BBO晶体输出的携 带奇拓扑荷OAM纠缠态的激光脉冲依次输入到所述第二复用模块、第二计算机控制的空间 光调制器SLM、第二单模光纤SMF、第四单光子探测器最后将其探测结果输入到所述第二符 合计数器中。
[0019] 一种M-Z型轨道角动量纠缠密钥分发方法，包括上述所述的M-Z型轨道角动量纠 缠密钥分发网络系统，其包括W下步骤：
[0020] SI.奇偶拓扑荷OAM纠缠光脉冲的产生：累浦光源LD产生激光脉冲，所述激光脉 冲经第一全反射镜改变传播方向后垂直照射BBO晶体，通过BBO晶体参量下转换产生携带 奇偶拓扑荷OAM纠缠态的信号光和闲置光； 阳02U S2. OAM纠缠的M-Z型复用：在信号光光路和闲置光光路中分别用携带光束旋转器 BR的M-Z干设仪对OAM拓扑荷为奇数和偶数的纠缠态进行分离；
[0022] S3.奇偶拓扑荷OAM调制：Alice控制端中的调制单元根据OAM拓扑荷奇偶不同分 别对信号光携带的OAM进行调制，加载编码信息，并将编码信息发送给所述符合测量单元； 阳02引 S4.两Bob用户OAM调制：在闲置光路中，Bobl用户对OAM拓扑荷为奇数的闲置光 携带的轨道角动量态进行调制，加载编码信息，并将编码的信息发送给符合测量单元；Bob2 用户对OAM拓扑荷为偶数的闲置光携带的轨道角动量态进行调制，加载编码信息，并将编 码的信息发送给符合测量单元；
[0024] S5.密钥分配与共享：Alice控制端根据需要选取不同的合法通信用户，通过单 光子探测器记录下单位时间内到达的相同OAM拓扑荷的信号光子和闲置光子，并将记录下 的探测数据发送到符合计数器，最后符合计数器将相同OAM拓扑荷的探测数据进行符合测 量，根据符合