一种基于轨道角动量的多用户双场QKD网络系统

本实用新型涉及多用户量子通信领域，具体涉及一种基于轨道角动量的双场qkd三用户系统。

背景技术：

量子密钥分发是基于量子力学原理实现通信双方实现对称密钥协商的一项重要技术。在假设窃听者(eve)存在的情况下，通信双方，即alice和bob，alice和bob利用产生的密钥结合一次一密协议可以实现理论上的绝对安全的保密通信。首个量子密钥分发协议是在1984年由bennett等人提出的，被称为bb84协议，由于现实技术条件和理想情况存在差异，该协议存在着各种问题。在此后的几十年间，大量的科研工作者不断提出保密性更强，传输距离更远的量子密钥分发协议。2018年lucamarini等人提出了双场量子密钥分发协议，简称tf-qkd(quantumkeydistribution，简称qkd，量子密钥分发)，即双场量子密钥分发协议，突破无量子中继的量子密钥分发协议传输距离的理论极限，还具有消除了探测系统侧信道的优点。但是，原始的双场qkd协议实现的是点到点的通信，并且采用了相位编码，存在参考系对准问题。随着技术的发展和社会的进步，显然点对点的用户之间的量子保密通信不能满足社会的需求，多用户之间的量子保密通信可以很好的解决这个问题，大大推动量子保密通信实用化进程。

轨道角动量是1992年由allen等人发现并提出的，光子不仅有自旋角动量还有轨道角动量，它来源于光波的螺旋相位，他们发现具有相位结构的光场，其中是方位角，如拉盖尔高斯光束，平均每个光子带有的轨道角动量，其中，是任意整数。光子轨道角动量本征态在数学上构成了一组完备的正交基矢，因此可以利用轨道角动量来实现高维信息编码。含轨道角动量的态可以表示为

其中，表示的是用于编码的相对相位，ba，b∈{0，π}其中0和π分别代表着编码中的0和1。

例如，发送方和接收方产生相干态

上式展示的是当调制的光束值为4时的光子态。

2020年meng等人对利用轨道角动量进行tf-qkd进行了一些理论上的研究和模拟，但仅限于点对点的单用户之间的量子保密通信，并没有考虑多方的量子保密通信。

技术实现要素：

本实用新型的目的是克服现有技术存在的问题，提出了一种传输距离长、传输信道容量大、可多方密钥分发的基于轨道角动量的三用户双场qkd系统。tf-qkd是目前较新的量子密钥分发协议，适合远距离的量子保密通信，而轨道角动量可以极大的扩展传输信道容量，对进行高维量子密钥分发有重要作用。本实用新型即结合两者的优点进行多用户间量子保密通信网络的搭建，满足多用户间量子保密通信的需求。

所述轨道角动量是1992年由allen等人发现并提出的，是光子一个新的自由度。轨道角动量在无限希尔伯特空间有任意两个值都处于正交状态的性质，所以将轨道角动量运用到通信可以极大的拓展信道容量。

所述双场qkd是2018年提出的一种为了突破传统无量子中继的量子密钥分发协议传输距离的理论极限，还具有测量设备无关量子密钥分发系统的优点，简称tf-qkd。基本的tf-qkd是由alice和bob两个发送方和charlie这个测量方组成，通信方法如下：1、由alice和bob分别独立产生一个带有轨道角动量单光子态；2、alice和bob分别将所制备的态发送给charlie；3、alice和bob所发送的单光子态在charlie前的bs分束器上发生单光子干涉；4、根据charlie端的两个oam分选器的探测产生的响应，由成码规则alice和bob可以得到原始密钥；5、然后双方进行后处理过程，包括监听检测、误码分析、隐私放大。最终生成alice和bob可以进行通信的安全密钥。

oam-tf-qkd测量结果与对应码值如表1所示。

表1oam-tf-qkd测量结果与对应码值

在本实用新型中，所述的多用户系统是指多个合法用户中的任意两个用户能进行通信。具体的，本实用新型中主要叙述的是三用户对三用户的量子密钥分发方式。

为达到上述目的，本实用新型采用以下技术方案：

一种基于轨道角动量的多用户双场qkd网络系统，包括第一发送方、第二发送方、第三发送方、第四发送方、第五发送方、第六发送方、第一测量方、第二测量方和第三测量方；

还包括两个阵列波导光栅，分别为第一阵列波导光栅和第二阵列波导光栅；所述第一阵列波导光栅和第二阵列波导光栅均设有三个输入口和三个输出口；其中第一阵列波导光栅的三个输入口分别与第一发送方、第二发送方、第三发送方相连接，第二阵列波导光栅的三个输入口分别与第四发送方、第五发送方、第六发送方相连接；第一阵列波导光栅和第二阵列波导光栅的三个输出口分别与第一测量方、第二测量方、第三测量方相连接。

本实用新型技术方案可以根据不同用户之间协商的特定波长来实现不同用户之间的通信。

优选地，所述第一发送方、第二发送方、第三发送方、第四发送方、第五发送方和第六发送方均为单光子源。

优选地，所述第一发送方、第二发送方、第三发送方、第四发送方、第五发送方和第六发送方均包括可变波长光源、强度调制器、相位调制器、随机数发生器及空间光调制器。

优选地，所述第一测量方、第二测量方和第三测量方均包括一个分束器bs和两个oam(orbitalangularmomentum，轨道角动量)分选器，一个分束器bs分别与两个oam分选器连接。

优选地，第一阵列波导光栅的第一个输出端与第一测量方的分束器bs相连接，第二个输出端与第二测量方的分束器bs相连接，第三输出端与第三测量方的分束器bs相连接；第二阵列波导光栅的第一个输出端与第一测量方的分束器bs相连接，第二个输出端与第二测量方的分束器bs相连接，第三输出端与第三测量方的分束器bs相连接。

优选地，通信的双方在进行通信前选择相同波长的光进行通信。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果：

1、本实用新型的协议是基于tf-qkd，tf-qkd包括了所有测量设备无关量子密钥分发的优点，即可以抵抗所有对测量设备的攻击。

2、本实用新型利用了具有轨道角动量的光子作为信息的载体，无须参考系校准，简化了系统复杂度，提高密钥速率。

3、轨道角动量态具有无限维的特性使得本发明具有极强的拓展能力，可以方便的结合轨道角动量的复用/分离装置，极大提高信道容量，扩展用户端。

4、本实用新型结构简单，容易实现，经济成本低；可用于多用户系统，突破了理论上无中继量子密钥分发距离的极限，传输距离较传统的量子密钥分发协议更远。

附图说明

图1为本发明第一发送方alice1的结构图；

图2为本发明第二发送方alice2的结构图；

图3为本发明第三发送方alice3的结构图；

图4为本发明第四发送方bob1的结构图；

图5为本发明第五发送方bob2的结构图；

图6为本发明第六发送方bob3的结构图；

图7为本发明第一测量方的det1结构图；

图8为本发明第二测量方的det2结构图；

图9为本发明第三测量方的det3结构图；

图10为本发明整体结构图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合具体实施例以及附图，对本发明进一步详细说明，但本发明要求的保护范围并不局限于实施例。

实施例1：

首先，通信开始前需要进行通信的双方选取通信光波长，通信双方应选择同一波长的光进行信息的加载。通信双方的光通过波分路由器到达同一探测器方可进行通信。所以为了便于多方通信，通信双方采用的是可变波长激光器，即可实现多方通信。

如图10所示一种基于轨道角动量的双场qkd三用户系统包括六个发送方(alice1、alice2、alice3、bob1、bob2、bob3)、三个测量方(det1、det2、det3)、两个阵列波导光栅(awg)。

具体的，第一发送方、第二发送方、第三发送方、第四发送方、第五发送方、第六发送方均为单光子源。

因为单光子源较难获取，如图1、2、3、4、5、6所示，单光子源为概率单光子源，由可变波长光源、强度调制器、随机数发生器、相位调制器、空间光调制器组成。通过可变波长光源产生单光子，然后强度调制器和相位调制器在随机数发生器的控制下对单光子进行调制，被调制的单光子随后被送到空间光调制器处进行轨道角动量的信息加载。

如图7、8、9所示，第一测量方、第二测量方、第三测量方具体是由一个分束器bs和两个探测器所组成，当第一发送方即alice1和第四发送方即bob1到达第一测量方bs处时，所输入的光在bs上发生单光子干涉，根据干涉结果选择从左边到达d0探测器或从右边到达d1探测器，触发相应的探测器发生响应。根据哪边的探测器响应来判断是否需要进行比特翻转，左边的探测器响应，需要进行比特翻转；右边的探测器响应，不需要进行比特翻转。具体的比特值根据具体探测器的响应来判断。成码的规则如前文所述的表1。

如图10所示，一种基于轨道角动量的双场qkd三用户系统实现量子密钥分发具体步骤如下：

步骤一：准备工作：需要通信的双方约定好通信光波长，双方需要采用相同波长的光进行通信；

步骤二：制备待测量信息：两个发送端即alice和bob分别对即将发送的光子进行调制，随机加载强度和相位信息，然后发送至阵列波导光栅处；

步骤三：发送待测信息：阵列波导光栅根据所接受到的光波长的不同，将其传输到相应的测量端进行测量；

步骤四：测量：从阵列波导光栅出来的单光子进入相应的测量端，并在分束器bs上发生单光子干涉，根据通信双方所加载的信息，探测器会发生不同的响应，测量端会公布探测器的响应情况；

步骤五：形成原码：根据初始商定的双场qkd成码方式形成原码；

步骤六：窃听检测：根据通信双方即alice方和bob方公开的部分原始密钥，对误码率进行估算，与理论误码率值的范围进行比对，若误码率超过可信范围，则终止本轮协议，重新开始；

步骤七：数据后处理：bob方对所生成的原始密钥进行数据后处理，包括数据协商和保密增强等步骤，最终得到安全密钥。

根据不同的探测器响应情况，bob方有时需要进行比特翻转。例如，当探测器d0响应时，则需要进行比特翻转，即0变成1，1变成0。

需要注意的是本文所述alice方可以为任意一个alice，即可以为alice1、alice2、alice3，同理，bob方也可以为任意bob，即可以为bob1、bob2、bob3。本实用新型可以实现三用户间的通信。

根据上述说明书的揭示和教导，本发明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，本发明并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对发明的一些修改和变更也应当落入本发明的权利要求的保护范围内。此外，尽管本发明中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本发明构成任何限制。