一种基于轨道角动量编码的量子密钥分发系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本实用新型涉及量子密码与光通信技术领域，具体涉及一种基于轨道角动量编码 的量子密钥分发系统。
【背景技术】
[0002] 量子密钥分发系统常用于加载量子编码信息的有偏振、相位等物理量。在基于偏 振编码的量子密钥分发系统中，量子信息被编码在光子的偏振态上，偏振态通常需要利用 铌酸锂等电光晶体进行调制，由于电光晶体较高的半波电压调制要求，因此在实际使用过 程中受到很大的限制。另一方面，电光晶体还存在着调制速率不高的问题，这进一步影响到 了量子密钥分发的成码率。此外，在量子信号的传输过程中，由于在光纤中不可避免的存在 双折射及色散等干扰，偏振编码的量子信息很容易受到外界环境的影响，长距离传输后会 导致较高的误码率。因此，基于偏振编码的量子密钥分发面临着成码率不高，传输距离有限 的问题。为了解决偏振编码存在的问题，人们又将光子的相位信息应用到量子密钥分发的 编码之中，相位编码利用两束相干光脉冲在马赫-曾德尔干涉仪中进行干涉，最终在干涉 仪的输出端由两束光的干涉对比度信息解码出编码信息。相位编码较好的克服了量子信息 在光纤传输中容易受到环境干扰的缺点，然而这种相干性在信息的发送端和接收端仍会受 到器件的制约，特别是对马赫-曾德尔干涉仪的稳定性提出了严格的要求，因此其应用受 到了 一定的限制。
[0003] 研究发现，除了偏振、相位等物理量之外，光子还可以携带一种叫做轨道角动量的 自由度。与偏振、相位等物理量不同，携带轨道角动量的光束具有螺旋型波前和光学奇点， 并具有独特的轨道角动量的量子拓扑结构特性，其独特的光学特性可以提高信息编码的安 全性与调制能力，因此在量子信息以及光通信中具有重大的研究价值。目前，一种基于单光 子轨道角动量的量子密钥分发方案得到了报道，该方案通过利用不同阶轨道角动量的正交 特性进行信息的编解码，提高了光子的利用效率和系统的安全性，然而在其编码发射端，编 码信息需要依赖两个可以发射携带不同轨道角动量光子的激光器，由于受到轨道角动量产 生技术的制约，这种光子的产生效率并不高，且很难达到单光子的水平，这导致了系统误码 率的增加，并存在被偷听者窃听的风险，此外，在其解码端同样需要使用一个马赫-曾德干 涉仪，因此也增加了其在通信中的应用难度。一种基于自旋-轨道角动量混合调制的量子 密钥分发系统也得到了报道，该系统利用混合的自旋-轨道角动量纠缠光子对作为编码信 息的载体，并利用符合测量单元作为信息的解码装置，提高了系统的安全性，然而混合纠缠 光源的核心产生器件q-plate目前还处于实验室研发阶段，其制作工艺复杂，成本较高且 转化效率还不是很理想，这也限制了该系统的应用，另外，在系统的解调端，由于其解码的 符合特性曲线为一个连续曲线，因此符合计数的微小偏离都会带来较高的误码率，由于信 息发送者和接收者之间没有通信信道进行通信，该部分误码信息将无法有效消除。 【实用新型内容】
[0004] 本实用新型的目的在于：提供一种结构简单、稳定快速的基于轨道角动量编码的 量子密钥分发系统。
[0005] 为了解决上述技术问题，本实用新型提供了一种基于轨道角动量编码的量子密钥 分发系统，其包括密钥发送端和密钥接收端，所述密钥发送端包括，依次连结的激光器、聚 焦透镜、BB0晶体、分束器、第一空间光调制器和第一滤波片，还包括第一计算机，所述第一 计算机的一端与所述第一空间光调制器连接且另一端通过单模光纤与公共信道连接；所述 密钥接收端包括，依次连接的第二空间光调制器、第二滤波片、第一单光子探测器和符合计 数器，所述第二空间光调制器与所述分束器连接，还包括连接于所述第一滤波片与所述符 合计数器之间的第二单光子探测器，还包括第二计算机，所述第二计算机的一端与所述第 二空间光调制器连接且另一端通过单模光纤与所述公共信道连接，所述符合计数器与所述 第二计算机连接；
[0006] 所述激光器作为泵浦光源，用于泵浦产生高斯光；所述聚焦透镜用于聚焦激光光 束；所述BB0晶体用于参量下转换产生信号光子和闲置光子，产生的光子对纠缠于轨道角 动量自由度；所述分束器用于将参量下转换产生信号光子和闲置光子分两路输出；所述第 一空间光调制器用于调制入射的信号光子，进行量子比特的编码，经调制的信号光子以基 模高斯光的模式输出；所述第一计算机用于实时调制第一空间光调制器上的入射信号光子 的轨道角动量态，并用于进行编码基和测量基的比对；所述第一滤波片用于滤掉信号光子 中未转换的残留光子；所述信号光子通过单模光纤传送到所述第二单光子探测器；所述分 束器将所述闲置光子通过自由空间传动送所述第二空间光调制器；
[0007] 所述第二空间光调制器用于调制闲置光子轨道角动量态，进行闲置光子轨道角动 量态的测量；所述第二计算机用于实时调制第二空间光调制器上入射闲置光子的轨道角动 量态，并用于进行编码基和测量基的比对；所述第二滤波片用于滤掉闲置光子中未转换的 残留光子；所述闲置光子通过单模光纤传送到所述第一单光子探测器；所述第一单光子探 测器用于探测单模光纤传送的调制闲置光子，并记录单位时间内到达的闲置光子数目；所 述第二单光子探测器用于探测单模光纤传送的调制信号光子，并记录单位时间内到达的信 号光子数目；所述符合计数器用于接收第一单光子探测器和第二单光子探测器所传送的探 测信号并产生符合测量计数，并将计数结果传送给第二计算机。
[0008] 所述BB0晶体的化学式为0 -BaB204,满足I类相位匹配条件。
[0009] 所述第一空间光调制器和所述第二空间光调制器为纯相位液晶反射型。
[0010] 所述第一单光子探测器和所述第二单光子探测器为盖革模式的Si-APD，工作在 可见光波段。
[0011] 激光器所产生高斯光的波长为355nm，BB0晶体转换产生信号光子和闲置光子的 波长为710nm。
[0012] 相对于现有技术，本实用新型具有以下有益效果：
[0013] 1、本实用新型采用轨道角动量纠缠态作为信息编码的载体，并采用符合计数的方 法进行解码，抵抗环境变化能力强，实现了稳定、高码率的量子密钥分发；
[0014] 2、本实用新型的量子编码、测量及公共信道的通信过程功能高度集成，可以方便 地进行信息的实时发送和接收，操作性强；
[0015] 3、本实用新型解决了现有的一种基于自旋-轨道角动量混合调制的量子密钥分 发系统调制编码及解码能力不强的缺点。
【附图说明】
[0016] 图1为本实用新型的系统结构和工作原理图；
[0017] 图2为本实用新型的流程图。
【具体实施方式】
[0018]Alice代表密钥发送端，Bob代表密钥接收端。
[0019]请参阅图1，本实用新型的基于轨道角动量编码的量子密钥分发系统包括密钥发 送端和密钥接收端，所述密钥发送端包括，依次连结的激光器10、聚焦透镜11、BB0晶体12、 分束器13、第一空间光调制器14和第一滤波片16,还包括第一计算机15,所述第一计算机 15的一端与所述第一空间光调制器14连接且另一端通过单模光纤与公共信道连接；所述 密钥接收端包括，依次连接的第二空间光调制器20、第二滤波片22、第一单光子探测器23 和符合计数器25,所述第二空间光调制器20与所述分束器13连接，还包括连接于所述第一 滤波片16与所述符合计数器25之间的第二单光子探测器24,还包括第二计算机21，所述 第二计算机21的一端与所述第二空间光调制器20连接且