一种自旋-轨道角动量混合调制量子密钥分发系统的制作方法
【专利摘要】一种自旋-轨道角动量混合调制量子密钥分发系统，包括泵浦光源、BBO晶体、单模光纤和q-plate相位板，用于产生混合自旋-轨道角动量纠缠光子对；还包括半波片、偏振分束器和单模光纤，用于对信号光子自旋角动量进行相位偏转调制；还包括空间光调制器和单模光纤，用于对闲置光子轨道角动量进行相位偏转调制及加载编码信息；还包括第一单光子探测器、第二单光子探测器和符合计数器，用于对信号光子和闲置光子进行符合测量解码量子比特信息。本实用新型提高了量子密钥分发系统的安全性，实现了大容量的量子编码，获得了高效编码的量子密钥分发系统，且结构简单、安全性高。
【专利说明】—种自旋-轨道角动量混合调制量子密钥分发系统
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及量子保密通信领域，特别涉及一种自旋-轨道角动量混合调制量子密钥分发系统。
【背景技术】
[0002]量子密钥分发(Quantum Key Distribut1n, QKD)是一种被证明了的绝对安全的密码通信方式，它以量子态作为量子信息的载体编码量子比特，在保密通信合法用户之间建立起密钥共享，其安全性由量子力学原理保证。量子密钥分发系统中，编码量子信息的载体可以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联系，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。
[0003]研究发现，光子可以携带自旋角动量(SAM)和轨道角动量(OAM)这两种角动量。自旋角动量与光子的圆偏振态有关，左旋圆偏振态|l>和右旋圆偏振态Ir〉作为自旋算符的本征态，分别携带有的自旋角动量，利用光子的自旋角动量只能实现一个量子位的编码(对应一个二维希尔伯特空间)；与自旋角动量不同的是，轨道角动量来源于光子的螺旋相位,对应轨道角动量本征态|m>, m为轨道角动量特征量子数，由于不同阶轨道角动量相互正交，m在理论上允许取任意整数，利用光子的轨道角动量可以实现一个高维希尔伯特空间的量子位编码，能够显著增大光子携带信息容量，提高编码安全性。
[0004]目前，一些利用光子轨道角动量作为信息载体的量子密钥分发系统已被提出，然而，这些系统的共同点是利用“相互无偏基”方式进行编码，这种编码模式可以看作是BB84协议的扩展，在这种通信协议下，通信双方通常还需要一条经典信道用来对比发送基和测量基，当双方选取的基不相同时，密钥信息将被舍弃掉。因此，基于“相互无偏基”编码协议的系统一方面存在信息损失导致密钥生成效率降低的问题，另一方面经典信道的设计也增加了通信系统结构的复杂度。一种基于轨道角动量纠缠的量子密钥分发系统也受到关注，它利用产生的轨道角动量纠缠信号光子和闲置光子来进行编码，采用符合测量来解调纠缠光子对上的信息。这种系统克服了上述“相互无偏基”系统存在的光子利用率低，密钥生成效率不高的缺点，并且不需要再额外设计一条经典信道，但该系统在纠缠光源制备端，对泵浦光源的波长、频率及功率要求严格，此外，在调制解调中还需要多个空间光调制器(Spatial Light Modulator, SLM)进行纠缠光子对的轨道角动量调制，导致系统结构复杂，成本较高。
实用新型内容
[0005]本实用新型的目的在于:提供一种编码信息容量大、结构简单、安全性高的自旋-轨道角动量混合调制量子密钥分发系统。
[0006]为了解决上述技术问题，本实用新型提供了一种自旋-轨道角动量混合调制量子密钥分发系统，包括泵浦光源、BBO晶体、单模光纤和q-plate相位板，所述BBO晶体与所述泵浦光源连接，用于产生信号光子与闲置光子自旋纠缠光子对，所述单模光纤用于隔离轨道角动量纠缠串扰，所述q-plate相位板用于实现光子自旋角动量向轨道角动量自由度转化，产生的混合自旋-轨道角动量纠缠光子对；还包括半波片、偏振分束器(Polarizat1nBeam Splitter, PBS)和单模光纤，所述半波片用于对信号光子进行相位偏转调制，所述偏振分束器对信号光子用于进行偏振筛选，所述单模光纤用于对调制后的信号光子进行耦合发送；还包括空间光调制器和单模光纤，所述空间光调制器用于调制入射闲置光子轨道角动量态相位偏转，所述单模光纤用于对高斯模式闲置光子的耦合发送；还包括第一单光子探测器、第二单光子探测器和符合计数器，所述第一单光子探测器用于记录单位时间内到达的信号光子，所述第二单光子探测器用于记录单位时间内到达的闲置光子，所述符合计数器用于进行符合测量。
[0007]优选地，本实用新型还包括计算机，所述计算机通过其DVI接口与所述空间光调制器连接。所述计算机用于调制所述空间光调制器相位全息图的输出，从而实现对入射闲置光子轨道角动量态相位偏转的动态调制。
[0008]相对于现有技术，本实用新型具有以下益处:
[0009]1、本实用新型以混合自旋-轨道角动量纠缠光子对作为编码信息的载体，提高了量子密钥分发系统的安全性；
[0010]2、本实用新型的每一对混合自旋-轨道角动量纠缠光子对可以加载超过一个比特的编码信息量，实现了大容量的量子编码；
[0011]3、本实用新型采用混合自旋-轨道角动量纠缠光子对来编解码量子比特，改进了基于轨道角动量纠缠的量子密钥分发系统，该系统只需半波片和偏振分束器这些常用的光学器件就可以实现对信号光子自旋角动量的调制，而通过计算机控制空间光调制器相位全息图的输出，就可以实现对闲置光子轨道角动量态相位偏转的动态调制，系统操作方便，光子利用率高，可加载高维量子比特信息；
[0012]4、本实用新型优化了调制方式，简化了结构，提高了安全性，节约了成本。
【专利附图】
【附图说明】
[0013]图1为本实用新型的系统结构的示意图。
[0014]图2为本实用新型的工作原理的示意图。
【具体实施方式】
[0015]Bob代表密钥发送端，Alice代表密钥接收端。
[0016]请参阅图1。
[0017]本实用新型的自旋-轨道角动量混合调制量子密钥分发系统，其包括混合自旋-轨道角动量产生单元、自旋角动量调制单元、轨道角动量调制单元和符合测量解码单元，所述混合自旋-轨道角动量产生单元用于产生自旋角动量和轨道角动量混合纠缠量子态，所述自旋角动量调制单元用于对信号光子自旋角动量进行相位偏转调制，所述轨道角动量调制单元用于对闲置光子轨道角动量进行相位偏转调制，加载编码信息，所述符合测量解码单元用于对信号光子和闲置光子进行符合测量解码量子比特信息。
[0018]请参阅图2。
[0019]所述混合自旋-轨道角动量产生单元主要包括泵浦光源、BBO晶体、第一单模光纤和q-plate相位板,所述泵浦光源为355nm紫外锁模激光器,其发出的355nm波长泵浦光，正入射到BBO晶体，所述BBO为两块光轴相互垂直且粘合在一起的β相偏硼酸钡晶体，化学式为β -BaB2O4，它们均被切割成I类匹配模式，BBO晶体在所述泵浦光的激励下，通过自发参量下转换过程产生710nm波长的自旋纠缠的信号光子和闲置光子，纠缠光子对量子态
[0020]产生的信号光子耦合进入所述第一单模光纤中，由于第一单模光纤的直径非常小，其直径仅为5微米，只允许基模高斯光通过，利用第一单模光纤可以过滤出轨道角动量为零的基模高斯光，这样就隔离了可能存在的轨道角动量纠缠串扰；
[0021]产生的闲置光子入射到所述q-plate相位板，所述q-plate相位板为一种单轴双折射液晶，其z轴方向的固定相位延迟为π，光轴取向固定参数q=I，a ^ = O,该特性参数q-plate相位板的功能可以用一个量子算符表示为
Q{i?) = I尺，m + in I +1L,/" - 2}{Rjn |，在q-plate相位板作用下，闲置光子的自旋角动量将向轨道角动量自由度转化；
[0022]所述信号光子和所述闲置光子的量子态将演化为自旋角动量和轨道角动量的混合纠缠态W=士(μ〉>2〉、+μ〉τΜ小
[0023]所述自旋角动量调制单元主要包括半波片和偏振分束器，从第一单模光纤到达半波片的信号光子可看作处于自旋角动量叠加态设置半波片的取向角为卢=I (O为变量)，经过所述半波片的信号光子射入所述偏振分束器，则所述偏振分束器射出的信号光子将引入自旋角动量依赖的相位偏转变化，偏转自旋角动量量子态可表示为I^)于是，通过设置不同的取向角θ可以实现信号光子自旋角动量的相位偏转调制；
[0024]所述偏振分束器射出的信号光子耦合进第二单模光纤发送。所述第二单模光纤直径为5微米，只耦合发送基模高斯的光子。
[0025]所述轨道角动量调制单元主要包括空间光调制器以及与空间光调制器DVI接口相连接的计算机。所述空间光调制器为液晶纯相位反射型。所述计算机可以实时地控制所述空间光调制器上相位全息图的输出来对入射710nm闲置光子的轨道角动量进行偏转调制；计算机将+C2叫-O模式的相位全息图发送到空间光调制器上，
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入射光束经相位全息图衍射后，其相位偏转X并转化为高斯模式(量子态为Im = O?的光反射出去。其中，X为轨道角动量的相位偏转取向角，不同的X对应着轨道角动量态的相应偏转；
[0026]经调制的闲置光子耦合进第三单模光纤发送。所述第三单模也具备光纤直径为5微米，只耦合发送基模高斯光子的性质。由于空间光调制器的衍射效率有限，系统中将有20%左右携带轨道角动量的光子不能完成调制，然而该部分光子因其携带轨道角动量，光束束腰较大无法耦合进第三单模光纤，所以该部分光子不参与系统的编解码不会导致系统误码率的提闻。
[0027]所述符合测量解码单元包括第一单光子探测器、第二单光子探测器和符合计数器，所述符合计数器分别与所述第一单光子探测器和所述第二单光子探测器连接；
[0028]所述第一单光子探测器接收所述第二单模光纤所述传送的信号光子，记录下单位时间内到达的信号光子数并将探测数据发送至所述符合计数器；
[0029]所述第二单光子探测器接收所述第三单模光纤所述传送的闲置光子，记录下单位时间内到达的闲置光子数并将探测数据发送至所述符合计数器；
[0030]所述符合计数器经符合测量逻辑运算后，向外输出单位时间内的符合光子的数值。
[0031]利用本实用新型提供的自旋-轨道角动量混合调制量子密钥分发系统进行密钥分发时，其密钥分发过程包括以下步骤:
[0032]步骤一:混合自旋一轨道角动量纠缠态的制备。Alice利用混合自旋_轨道角动量产生单元产生自旋角动量和轨道角动量混合纠缠的信号光子和闲置光子，她在保留信号光子的同时将闲置光子传送给Bob ；
[0033]步骤二:量子比特编码。Alice和Bob分别利用自旋角动量调制单元和轨道角动量调制单元对信号光子的自旋角动量和闲置光子的轨道角动量进行相位偏转调制，Alice 一端将自旋角动量偏转取向角0调制为7，Bob随机调制轨道角动量的偏转相位取向角X, π π
使其为牙，4；
[0034]步骤三:密钥发送。Alice和Bob分别将调制过后的信号光子和闲置光子经单模光纤耦合后送往Alice处的符合测量解码单元进行光子探测和符合计数测量；
[0035]步骤四:密钥成码。Alice根据符合测量结果恢复出编码的密钥:相对符合计数值为“ I ”，解调编码“0”，相对符合计数值为“0.5”，解调编码“ I ” ；随后，她建立随机秘密序列
O,I作为密码本。
[0036]其具体的编解码过程如下:
[0037]当调制信号光子自旋角动量态为I Θ >'闲置光子轨道角动量态为I X〉1时，因为信号光子和闲置光子共同处于自旋轨道角动量混合纠缠态
?Φι〉=ζ(?Δ〉」所以符合测量系统同时测量到双光子的概率为
，
广(M=I^1HWkyl2 acoS2 (2厂外此即为相对符合计数值。此时，符合计数函数与自旋角动量态偏转取向角Θ和轨道角动量偏转态取向角X的差值成余弦平方的关系。利用符合计数，Alice和Bob可以进行量子密钥分发。其基本思想为=Alice—端保持调制自旋角动量态的偏转取向角度Θ不变(如可将其固定为f)，而在Bob端，通过发送不同模式的相位全息图到空间光调制器上，他可以实时调制轨道角动量态的偏转取向角度X来进行信息的编码，最后，Alice由不同的相对符合计数值恢复出Bob编码的密钥。编码比特值与相对符合计数值的关系如表I所示:
[0038]表I编码比特值与相对符合计数值的关系
[0039]
I ( 2ix—..-2/X!丨.1I ( 2/X- 1.-2/χ—,
相位全息图模式 $ 卜 8|+2} + e 8 1-2) 1-j=\e 4|+2} + e 4 |-2}J
轨道角动量偏转角;T--
84
相对符合计数值
(扣 ￡)1
4
编码比特值O?
[0040]如表I所示，编解码约定如下:在发送端，Bob随机调制轨道角动量的偏转相位取向角X，规定X为f时表示码“0”，规定X为I时表示码“I”;在接收端，Alice对每一对相应时间段到达的信号光子和闲置光子进行符合测量，若相对符合计数值为“ I ”，则表示码“0”，若相对符合计数值为“0.5”，则表示码“ I ”。Alice根据自己的符合计数情况建立起随机秘密序列0，I作为密码本。
[0041]利用本实用新型提供的系统进行密钥分发时，其密钥分发编解码具体实现过程如下=Bob根据不同模式光束的相位分布，利用计算机调制出其相位全息图，并通过DVI接口把对应模式相位全息图发送到空间光调制器上。在此，Bob输出士[/”、|-2〉)模式的相位全息图编码比特“0”，输出2,-2〉j模式的相位全息图编码比特“I”；
Alice调制半波片取向角Θ为她通过观测符合计数器的计数值来判断Bob的密钥信息，
如果她在相应时间里观测到相对符合计数值为“ I ”，则解码Bob的密钥比特“0”，如果观测到相对符合计数值为“0.5”，则解码Bob的密钥比特“I”。
[0042]需要指出的是，利用本实用新型提供的系统进行密钥分发Alice和Bob还可以充分利用混合自旋-轨道角动量纠缠光子对的高维编码特性，使每一对混合纠缠光子对加载更多信息量。例如，一种更高效的编解码方式如表2所示:
[0043]表2 —种高效编解码方式
[0044]I f 2ix—.χ -2iX— , 、)I ( Zix-..-Ziy-..1 ( 2ix— I , -2/x—..)
相位全息图模式 y 卜 8 |+2} + e 81-2) J -J=\e J|+2) + e J|-2)j -^=^e 8 |+2) + e 8 |-2)j
轨道角动量偏转π—π3
角 Z84~?%
~符合计数值
(和！)IO -O 4
^编码比特值OI2
[0045]如表2所示，编解码约定如下:在发送端，Bob随机调制轨道角动量的偏转相位取向角X，规定X为I时表示码“0”，规定X为^时表示码“1”，规定X为时表示码“2”；
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在接收端，Alice对每一对相应时间段到达的信号光子和闲置光子进行符合测量，若符相对合计数值为“ I ”，则表示码“O”，若相对符合计数值为“0.5”，则表示码“ I ”，若相对符合计数值为“0”，则表示码“2”。Alice根据自己的符合计数情况建立起随机秘密的序列0，I, 2作为密码本。
[0046]需要指出的是，Alice和Bob根据需要可以调整不同的编解码方式，使其满足本实用新型系统符合计数函数即可。
[0047]根据上述说明书的揭示和教导，本实用新型所属领域的技术人员还可以对上述实施方式进行变更和修改。因此，本实用新型并不局限于上面揭示和描述的【具体实施方式】，对本实用新型的一些修改和变更也应当落入本实用新型的权利要求的保护范围内。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本实用新型构成任何限制。
【权利要求】
1.一种自旋-轨道角动量混合调制量子密钥分发系统，其特征在于:包括泵浦光源、BBO晶体、单模光纤和q-plate相位板，所述BBO晶体与所述泵浦光源连接，用于产生自旋纠缠的信号光子和闲置光子，所述单模光纤用于隔离轨道角动量纠缠串扰，所述q-plate相位板用于实现光子自旋角动量向轨道角动量自由度转化，产生混合自旋-轨道角动量纠缠光子对； 还包括半波片、偏振分束器和单模光纤，所述半波片用于对信号光子进行相位偏转调制，所述偏振分束器用于对信号光子进行偏振筛选，所述单模光纤用于对调制后的信号光子进行耦合发送； 还包括空间光调制器和单模光纤，所述空间光调制器用于调制入射闲置光子轨道角动量态相位偏转，所述单模光纤用于对高斯模式闲置光子的耦合发送； 还包括第一单光子探测器、第二单光子探测器和符合计数器，所述第一单光子探测器用于记录单位时间内到达的信号光子，所述第二单光子探测器用于记录单位时间内到达的闲置光子，所述符合计数器用于进行符合测量。
2.根据权利要求1所述的一种自旋-轨道角动量混合调制量子密钥分发系统，其特征在于:还包括计算机，所述计算机通过其DVI接口与所述空间光调制器连接。
【文档编号】H04L9/08GK204013569SQ201420417211
【公开日】2014年12月10日 申请日期:2014年7月25日 优先权日:2014年7月25日
【发明者】郭邦红, 郭建军, 张程贤, 程广明, 范榕华 申请人:华南师范大学