一种自旋-轨道角动量混合调制量子密钥分发方法及系统的制作方法
【专利摘要】本发明提供一种自旋-轨道角动量混合调制量子密钥分发方法及系统，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。本发明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方法及系统
【技术领域】
[0001] 本发明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 钥分发方法及系统。
【背景技术】
[0002] 量子密钥分发（Quantum Key Distribution, 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（0ΑΜ)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|R〉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，采用符合测量的方法来解 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。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的在于：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方法及系统。
[0006] 为了解决上述技术问题，本发明提供了一种自旋-轨道角动量混合调制量子密钥 分发方法，包括混合自旋-轨道角动量产生、自旋角动量调制、轨道角动量调制和符合测量 解码；
[0007] 所述混合自旋-轨道角动量产生包含以下步骤：
[0008] ①自旋纠缠光子产生：产生自旋角动量纠缠的信号光子和闲置光子；
[0009] ②轨道纠缠转化：将闲置光子的自旋角动量自由度向轨道角动量自由度转化；
[0010] ③混合纠缠产生：隔离信号光子和闲置光子之间可能存在的轨道角动量纠缠串 扰，实现信号光子自旋角动量和闲置光子轨道角动量的相互纠缠；
[0011] 所述自旋角动量调制包含以下步骤：
[0012] ①相位偏转调制：对信号光子左旋圆偏振态|L〉和右旋圆偏振态|R〉的叠加态进 行相位偏转调制；
[0013] ②偏振筛选：对水平偏振、垂直偏振的信号光子进行筛选；
[0014] ③耦合发送：将信号光子耦合进单模光纤，发送至符合测量单元；
[0015] 所述轨道角动量调制包含以下步骤：
[0016] ①相位偏转调制：调制相位全息图，对闲置光子轨道角动量态|m = +2〉和|m =-2〉的叠加态进行相位偏转调制；
[0017] ②量子比特编码：对闲置光子轨道角动量进行量子比特编码；
[0018] ③密钥发送：将量子比特编码信息发送至符合测量单元；
[0019] 所述符合测量解码包括以下步骤：
[0020] ①符合测量：单光子探测器将记录下的探测数据发送到符合计数器进行符合测 量；
[0021] ②比特信息确定：依据符合测量值决定所编码的比特信息；
[0022] ③密码序列建立：分析测量结果，建立随机密码序列。
[0023] 本发明的又一目的在于：采用上述方法的自旋-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，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。
[0024] 所述混合自旋-轨道角动量产生单元包括泵浦光源、ΒΒ0晶体（β相偏硼酸钡晶 体，化学式为β _BaB204)、单模光纤和q-plate相位板，所述ΒΒ0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。
[0025] 所述自旋角动量调制单元包括半波片、偏振分束器（Polarization Beam 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信号光子耦合发送。
[0026] 所述的轨道角动量调制单元包括空间光调制器和单模光纤，所述空间光调制器用 于对闲置光子轨道角动量进行相位偏转调制，所述单模光纤用于耦合发送基模高斯光。
[0027] 所述轨道角动量调制单元还包括计算机，所述计算机通过其DVI接口与所述空间 光调制器连接，所述计算机调制所述空间光调制器相位全息图的输出。
[0028] 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事件测量。
[0029] 所述泵浦光源为355nm紫外锁模激光器，其重复频率为100MHz，平均功率为 150mw〇
[0030] 所述ΒΒ0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 -BaB204)，它们均被切割成I类匹配。
[0031] 所述单模光纤直径为5微米，只允许耦合发送束腰较小的高斯模式光。
[0032] 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 = 1，％ = 0。
[0033] 所述空间光调制器为液晶纯相位反射型，其分辨率为1920X1080,调制相位变化 范围超过2 π弧度，灰度等级为8位，256阶，图像帧速率为60Hz，工作波段为400-1100nm。
[0034] 在实际应用中，混合自旋-轨道角动量产生方法具体如下：
[0035] ①自旋纠缠光子产生：将泵浦光正入射到ΒΒ0晶体中，在泵浦光的激励下，ΒΒ0晶 体通过自发参量下转换产生自旋角动量自由度纠缠的信号光子和闲置光子，其量子态为
【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及加载编码信息，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。
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：所述混合自旋-轨道角动量产生单元包括泵浦光源、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的量子态可表 示为
，其中π表示自旋角动量，1表示轨道角 动量。
3. 根据权利要求2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：所述自旋角动量调制单元包括半波片、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，所述偏振分束器对信号光子用于进行偏振筛选，调制信号光子 量子态偏转为
所述单模光纤用于对调制信号光子进行耦 合发送； 所述轨道角动量调制单元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，使其量子态偏转为
*所述单模光纤用于对高斯模式闲置光子耦合发 送。
4. 根据权利要求3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：所述轨道角动量调制单元还包括计算机，所述计算机通过其DVI接口与所述空间光 调制器连接，所述计算机调制所述空间光调制器相位全息图的输出。
5. 根据权利要求3或4任一项所述的一种自旋-轨道角动量混合调制量子密钥分发系 统，其特征在于：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，所述第一单光子探测器用于记录单位时间内到达的信号光子数并将其探测数据发 送至所述符合计数器，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数并将 其探测数据发送至所述符合计数器，所述符合计数器用于进行符合测量。
6. -种自旋-轨道角动量混合调制量子密钥分发方法，其特征在于：包括混合自 旋-轨道角动量产生、自旋角动量调制、轨道角动量调制和符合测量解码； 所述混合自旋-轨道角动量产生包括以下步骤： ①自旋纠缠光子产生：将泵浦光源正入射到ΒΒΟ晶体中，在泵浦光的激励下，ΒΒΟ晶体 通过自发参量下转换产生自旋角动量自由度纠缠的信号光子和闲置光子； ② 轨道纠缠转化：q-plate相位板作用于闲置光子，将闲置光子的自旋角动量向轨道 角动量自由度转化； ③ 混合纠缠产生：利用单模光纤只允许基模高斯光通过的特性，过滤出轨道角动量为 零的光子，隔离信号光子和闲置光子之间可能存在的轨道角动量纠缠串扰，获得自旋-轨 道角动量混合纠缠量子态； 所述自旋角动量调制包括以下步骤： ① 相位偏转调制：半波片和偏振分束器组成自旋角动量调制器，对信号光子进行相位 偏转调制； ② 偏振筛选：偏振分束器筛选信号光子的IH〉水平偏振、IV〉垂直偏振，获得IH〉水平 偏振光子输出； ③ 耦合发送：信号光子耦合进单模光纤，发送至符合测量解码单元； 所述轨道角动量调制包括以下步骤： ① 相位偏转调制：计算机控制空间光调制器全息相位图输出，调制相位全息图，对闲置 光子轨道角动量态|m = +2〉和|m = -2〉的叠加态进行相位偏转调制； ② 量子比特编码：对闲置光子轨道角动量态进行量子比特编码，使入射闲置光子加载 偏转相位信息，获得高斯模式的反射光子； ③ 密钥发送：利用单模光纤的微小纤芯特征，过滤并输出基模高斯模式的闲置光子，发 送至符合测量解码单元。 所述符合测量解码包括以下步骤： ① 符合测量：第一单光子探测器和第二单光子探测器分别记录下单位时间内到达的信 号光子数和闲置光子数，并将记录下的探测数据发送到符合计数器进行符合测量； ② 比特信息确定：根据符合测量结果恢复出编码的密钥； ③ 密码序列建立：根据符合测量结果建立随机秘密的序列作为密码本。
7. 根据权利要求6所述的一种自旋-轨道角动量混合调制量子密钥分发方法，其特征 在于：在混合自旋-轨道角动量产生的自旋纠缠光子产生步骤中，所述自旋角动量自由度 纠缠的信号光子和闲置光子的量子态为
A和B分别代表信号光子和闲置光子，|L〉和|R〉分别表示左、右旋圆偏振态，其分别对 应携带±Λ的自旋角动量； 在混合自旋-轨道角动量产生的混合纠缠产生步骤中，自旋-轨道角动量混合纠缠量 子态为
π表示自旋角动量，1表示轨道角动量。
8. 根据权利要求7所述的一种自旋-轨道角动量混合调制量子密钥分发方法，其特征 在于：在自旋角动量调制的相位偏转调制步骤中，还包括设置半波片取向角为
，对信 号光子左旋圆偏振态|L〉和右旋圆偏振态|R〉的叠加态进行相位偏转调制，加载相位信息 信号光子量子态变为
其中Θ为变量。
9. 根据权利要求8所述的一种自旋-轨道角动量混合调制量子密钥分发方 法，其特征在于：在轨道角动量调制的量子比特编码步骤中，所述偏转相位信息为
，其中不同的偏转角X对应不同的编码比特。
10. 根据权利要求9所述的一种自旋-轨道角动量混合调制量子密钥分发方法，其特征 在于：在符合测量解码的符合测量步骤中，依据信号光子和闲置光子的相位偏转调制信息， 符合测量计数值满足关系式P ( Θ，X )…cos2 (2 X - Θ ); 在符合测量解码的比特信息的确定步骤中，所述根据符合测量结果恢复出编码的密钥 的具体方法为：相对符合计数值为" 1"，则解调编码;相对符合计数值为"〇. 5"，则解调 编码" 1";或者相对符合计数值为" 1"，则解调编码"〇"，相对符合计数值为"〇. 5"，则解调编 码" 1"，相对符合计数值为" 0 "，则解调编码" 2 " ； 在符合测量解码的密码序列建立步骤中，所述随机秘密的序列为〇、1或者〇、1、2。
【文档编号】H04L9/08GK104092539SQ201410361012
【公开日】2014年10月8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, 张程贤, 程广明, 郭建军, 范榕华 申请人:华南师范大学