多用户轨道角动量波分复用qkd网络系统的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了多用户轨道角动量波分复用QKD网络系统，包括Alice控制端、轨道角动量波分O-W型复用单元和Bob用户端；Alice控制端包括混合纠缠产生单元、SAM调制单元和符合测量单元；O-W型复用单元包括复用和解复用模块；Bob用户端包括n个Bob用户；混合纠缠产生单元产生携带多波长混合纠缠的闲置光和信号光,其中闲置光经解复用模块发送给不同的Bob用户,其对OAM进行调制加载信息，加载信息经复用模块发送至符合测量单元；信号光经SAM调制单元对SAM进行调制加载信息并发送至符合测量单元；复用模块和SAM调制单元发送的加载信息在符合测量单元进行测量解码。本实用新型实现了大容量的量子编解码通信，操作方便、用户数扩展能力强、通信中各用户相对独立、安全性高。
【专利说明】
多用户轨道角动量波分复用QKD网络系统
技术领域
[0001] 本实用新型涉及自由空间通信与量子通信网络领域，具体涉及一种多用户轨道角 动量波分复用QKD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，其安全性以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(Quantum Key Distribution，QKD)是以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，其调制解调的自由度可以是波长、相位、振幅、强度以及热点关注的轨道角动量 (Orbital Angular Momentum，0AM)等。
[0003] 研究发现，光子可以携带两种角动量：自旋角动量(Spin Angular Momentum，SAM) 和OAM AAM与光子的圆偏振态有关，左旋圆偏振态I L>和右旋圆偏振态I R>作为自旋算符的 本征态，分别携带有±力的3六1，利用光子的SAM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SAM不同的是，OAM是一个新的自由度并可以加载数据信息。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彷。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值为执对应螺旋形等相位面，螺 旋相位项为exp(i 1 Φ )，1为OAM量子数，1的正负代表旋转方向不同，Φ为极坐标系中的极 角。由于1可以取任意整数，所以单光子有无数个OAM正交本征态，即光子OAM具有高维特性。 因此，若以光子OAM作为信息的载体来编码信息可以实现一个高维的Hilbert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] 在量子密钥分发系统中，编码量子信息的载体可以有两种类型：单光子和纠缠光 子对。由于纠缠光子对之间有较强的纠缠关联，基于光子对纠缠态的量子通信具有通信容 量大、保密性强等优点。现有技术中提出了一种点对点的自旋-轨道角动量混合调制量子密 钥分发方法及系统，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;并改进了基于"相互无偏基"量子密钥分发系统的编 码方法。另有基于OAM的保密通信系统，其具有高效、稳定和低廉等优点，而且进一步提高了 OAM的调制编码及解码能力。
[0005] 但上述方案和目前的其它方案基于OAM混合纠缠的量子密钥分发系统多数是点对 点的，改进和设计可扩展的多用户OAM高维编码量子密钥分发系统就显得十分重要。 【实用新型内容】
[0006] 本实用新型的目的在于克服现有技术的不足，提供一种多用户轨道角动量波分复 用QKD网络系统。
[0007] 本实用新型的技术方案是这样实现的：多用户轨道角动量波分复用QKD网络系统， 包括Alice控制端、轨道角动量波分O-W型复用单元和Bob用户端，其中：
[0008] 所述Alice控制端包括混合纠缠产生单元、SAM调制单元和符合测量单元，所述混 合纠缠产生单元包括多波长激光器MW-LD、波长筛选器WS、BB0晶体、第一单模光纤 plate相位板;所述SAM调制单元包括半波片HWP、偏振分束器I3BS和第三单模光纤SMF;所述 符合测量单元包括第一单光子探测器、符合计数器和第二单光子探测器；
[0009] 所述O-W型复用单元由复用模块和解复用模块构成；
[0010] 所述Bob用户端包括η个Bob用户；
[0011] 所述多波长激光器MW-LD产生不同波长的激光脉冲，不同波长激光脉冲依次输入 到波长筛选器WS和BBO晶体中，在所述BBO晶体参量下转换过程产生携带不同波长SAM纠缠 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η组不同波长激光脉冲依次输入到所述 第一单模光纤SMF、半波片HWP、偏振分束器I 3BS、第三单模光纤SMF、第一单光子探测器最后 将其探测结果输入到所述符合计数器中；
[0013] 所述闲置光路路线:从所述BBO晶体输出的η组不同波长激光脉冲依次输入到所述 q-plate相位板、解复用模块;在解复用模块处输入到所述Bob用户端的η个Bob用户中，然后 η个Bob用户中输出后在所述复用模块处进行汇合，然后再输入到第二单光子探测器中，最 后将探测结果输入到所述符合计数器中与信号光路中的探测结果进行符合测量。优选地， 每个Bob用户均包括直角棱镜、计算机控制的空间光调制器SLM和第二单模光纤SMF;所述解 复用模块的信号输入到每个Bob用户后依次经过所述直角棱镜、计算机控制的空间光调制 器SLM和第二单模光纤SMF然后输入到所述复用模块中汇合。
[0014] 优选地，所述计算机控制的空间光调制器SLM与直角棱镜的斜边平行放置。
[0015] 与现有技术相比，本实用新型的有益效果为：
[0016] 1、本实用新型以SAM-OAM混合纠缠光子对作为编解码的信息载体，提高了多用户 轨道角动量波分复用QKD网络系统的安全性；
[0017] 2、本实用新型中所用的每一对SAM-OAM混合纠缠光子对都可以加载多比特的编码 信息量，实现了大容量的量子编解码通信；
[0018] 3、本实用新型中轨道角动量波分O-W型复用技术保证了各个用户之间的相对独 立，具有很好的隔离度，单用户的密钥生成率不会随着用户数的增加而减小；
[0019] 4、本实用新型系统设计合理结构简单，使用操作方便，具有良好的拓展性。
【附图说明】
[0020] 图1为本实用新型所述的多用户轨道角动量波分复用QKD网络系统的结构示意图。
[0021] 图2为本实用新型所述的多用户轨道角动量波分复用QKD网络系统的原理示意图。
[0022] 图3为本实用新型所述的Alice控制端框架示意图。
[0023] 图4为本实用新型所述的Bob用户端框架示意图。
[0024] 图中，各标号对应的名称：1_混合纠缠产生单元，101-多波长激光器MW-LD，102-波 长筛选器WS，103-BB0晶体，104-第一单模光纤SMF，105-q-plate相位板；2-SAM调制单元， 201-半波片HffP，202-偏振分束器PBS，203-第三单模光纤SMF; 3-符合测量单元，301-第一单 光子探测器，302-符合计数器，303-第二单光子探测器;401-解复用模块，402-复用模块； (501,502……50n)_直角棱镜，（511、512……51η)_计算机控制的空间光调制器SLM，（521、 522……52η)_第二单模光纤SMF。
【具体实施方式】
[0025]以下结合附图1-4对本实用新型的【具体实施方式】做进一步说明：
[0026] 参照附图1所示，多用户轨道角动量波分复用QKD网络系统，该系统包括Alice控制 端、轨道角动量波分O-W型复用单元和Bob用户端。其中Alice控制端包括混合纠缠产生单 元、SAM调制单元和符合测量单元;轨道角动量波分O-W型复用单元包括复用模块和解复用 模块;Bob用户端包括Bob I、Bob2…· Bobn等N个不同用户(n = l，2,3····)。
[0027] 参照附图2-图4所示，所述Alice控制端包括混合纠缠产生单元1、SAM调制单元2和 符合测量单元3;其中所述混合纠缠产生单元1包括多波长激光器MW-LDlOl、波长筛选器 WS102、BB0晶体103、第一单模光纤SMF104和q-plate相位板105;所述SAM调制单元2包括半 波片HWP201、偏振分束器PBS202和第三单模光纤SMF203;所述符合测量单元3包括第一单光 子探测器301、符合计数器302和第二单光子探测器303;
[0028]所述O-W型复用单元包括解复用模块401和复用模块402;
[0029] Bob用户端包括Bobl、Bob2···. Bobn等N个不同用户(η=1，2,3···.);每个Bob用户都 包括直角棱镜、第二单模光纤SMF和独立计算机控制的空间光调制器SLM，其中所述计算机 控制的空间光调制器SLM与直角棱镜的斜边平行放置。
[0030] 所述混合纠缠产生单元1用于产生携带多波长SAM-OAM混合纠缠态的闲置光和信 号光;所述解复用模块401与混合纠缠产生单元1连接，用于以波长寻址的方式将各个波长 闲置光发送给相应的不同Bob用户；所述Bob用户端与轨道角动量波分O-W型复用单元中的 解复用模块401连接，每个不同Bob用户（即不同波长)都包括直角棱镜、第二单模光纤SMF和 独立计算机控制的空间光调制器SLM，不同波长的闲置光经直角棱镜改变光路后进入计算 机控制的空间光调制器SLM，不同Bob用户用计算机控制的空间光调制器SLM对相应波长闲 置光携带的OAM进行相位偏转调制加载信息，再利用第二单模光纤SMF过滤并输出基模高斯 模式的闲置光，并将其发送至轨道角动量波分O-W型复用单元中的复用模块402;所述复用 模块402与Bob用户端相连接，用于以波长寻址的方式将不同Bob用户发送来的加载信息传 输到符合测量单元3中的第二单光子探测器303;所述SAM调制单元2与混合纠缠产生单元1 连接，用于对各波长信号光携带的SAM进行相位偏转调制加载信息，并将其发送至符合测量 单元3中的第一单光子探测器301;所述符合测量单元3在复用模块402和SAM调制单元2之 间，并与它们连接，用于将复用模块402和SAM调制单元2发送到的相同波长加载信息进行记 录，并将符合事件进行测量解码。
[0031] 所述多波长激光器Mff-LDioi用于产生不同波长的栗浦激光脉冲;所述波长筛选器 WS102与所述多波长激光器MW-LD101相连接，用于根据合法用户的通信需要筛选出不同的 波长(不同的波长即不同的Bob用户）；所述BBO晶体103与所述波长筛选器WS102连接，用于 产生携带不同波长SAM纠缠光子对的信号光和闲置光;所述第一单模光纤SMF104与所述BBO 晶体10 3连接，用于隔离OAM纠缠所带来的串扰;所述q-p I at e相位板105与所述BBO晶体10 3 连接，用于实现不同波长闲置光携带的SAM向OAM自由度转化。
[0032]所述解复用模块401与所述混合纠缠产生单元1中的q-plate相位板105相连接，用 于以波长寻址的方式将各个波长闲置光发送给相应的不同Bob用户;所述复用模块402在所 述Bob用户端与所述符合测量单元3的第二单光子探测器303之间，并与他们相连接，用于以 波长寻址的方式将不同Bob用户发送来的加载信息传输到符合测量单元3中的第二单光子 探测器303。
[0033]其中所述Bob用户端包括η个直角棱镜501-50n、n个计算机控制的空间光调制器 SLM511-51n 和 η 条第二单模光纤 SMF521-52n。
[0034]对于Bobl用户:所述直角棱镜501与所述轨道角动量波分O-W型复用单元中的解复 用模块401连接，用于改变光束的传播方向；所述计算机控制的空间光调制器SLM511与所 述直角棱镜连接501连接，用于对波长闲置光携带的OAM进行相位偏转调制加载信息； 所述第二单模光纤SMF521与计算机控制的空间光调制器SLM511相连接，用于将Bob 1用户的 编码信息发送到轨道角动量波分O-W型复用单元的复用模块402;
[0035]对于Bob2用户:所述直角棱镜502与所述轨道角动量波分O-W型复用单元中的解复 用模块401连接，用于改变光束的传播方向；所述计算机控制的空间光调制器SLM512与所述 直角棱镜502连接，用于对波长1 2的闲置光携带的OAM进行相位偏转调制加载信息;所述第 二单模光纤SMF522与计算机控制的空间光调制器SLM512相连接，用于将Bob2用户的编码信 息发送到轨道角动量波分O-W型复用单元的复用模块402;
[0036]依次类推，对于Bobn用户：所述直角棱镜50η与所述轨道角动量波分O-W型复用单 元中的解复用模块401连接，用于改变光束的传播方向；计算机控制的空间光调制器SLM51n 与所述直角棱镜50η连接，用于对波长1"的闲置光携带的OAM进行相位偏转调制加载信息； 所述第二单模光纤SMF52n与计算机控制的空间光调制器SLM51n相连接，用于将Bobn用户的 编码信息发送到轨道角动量波分O-W型复用单元的复用模块402。
[0037]所述半波片HWP201与所述混合纠缠产生单元1中的第一单模光纤SMF104连接，用 于对不同波长信号光携带的SAM进行相位偏转调制；所述偏振分束器PBS202与半波片 HWP201连接，用于对偏振进行筛选，将半波片HWP201和偏振分束器PBS202配合使用，此时旋 转半波片HWP201，我们可以实现想要的可变旋转角;所述第三单模光纤SMF203与偏振分束 器PBS202连接，用于对不同波长的编码信号光耦合发送到符合测量单元3中的第一单光子 探测器301。
[0038] 所述第一单光子探测器301与所述SAM调制单元2中的第三单模光纤SMF203连接， 用来记录单位时间内到达的不同波长信号光子;所述第二单光子探测器303与所述轨道角 动量波分O-W型复用单元中的复用模块402相连接，用来记录单位时间内到达的不同波长闲 置光子;所述符合计数器302在第一单光子探测器301和第二单光子探测器303之间，并与他 们连接，用于对相同波长信号光子和闲置光子的符合事件进行测量解码。
[0039]本实用新型中多用户轨道角动量波分复用QKD网络系统的具体工作原理如下:在该 多用户轨道角动量波分复用QKD网络系统中，多波长激光器Mff-LDlOl产生不同波长的栗浦激光 脉冲，根据合法用户的通信需要，波长筛选器WS102筛选出任一用户所需的脉冲，在BBO晶体的 工作波段范围，这脉冲垂直照射BBO晶体103,通过BBO晶体103参量下转换过程产生携带不同
波长SAM纠缠的信号光和闲置光，此时纠缠光子对量子态为： 其中A和B分别表不信号光子和闲置光子，λ代表脉冲的波长，I L>表不左旋圆偏振态并携带 +?的SAM，I R>表示右旋圆偏振态并携带-S的SAM，由于纠缠效应，不同波长的信号光子经过 第一单模光纤SMF104后，将不同波长的信号光子和闲置光子中存在的OAM干扰滤除了，再有 不同波长的闲置光子经过q-plate相位板105,将闲置光子中SAM向OAM转化，此时，q-plate 相位板105的功能可以用一个量子算符表不为
在 q-plate相位105的作用下，不同波长的信号光子和闲置光子的量子态将演化为SAM-OAM混 合纠缠态：
其中λ代表脉冲的波长，π表示SAM 本征态，1表示OAM本征态，为了方便，我们这里取OAM的量子数为1。
[0040] 从q-plate相位板105出来携带不同波长SAM-OAM混合纠缠态的闲置光子进入O-W型 复用单元中的解复用模块401，解复用模块401以波长寻址的方式将各个波长闲置光发送给相 应的不同Bob用户，对于Bobl用户：波长A 1的闲置光经直角棱镜501改变光路后进入计算机 控制的空间光调制器SLM511，计算机控制的空间光调制器SLM511对波长闲置光携带的 OAM进行相位偏转调制加载信息，此时量子态为：
其中，X为OAM的相位偏转取向角，Bob 1用户的加载信息经第二单模光纤SMF521耦合发送到O-W 型复用单元的复用模块402;对于Bob2用户:波长λ2的闲置光经直角棱镜502改变光路后进入 计算机控制的空间光调制器SLM512，计算机控制的空间光调制器SLM512对波长λ 2的闲置光携带 的OAM进行相位偏转调制加载信息，此时量子态为：
Bob2用户的加载信息经第二单模光纤SMF522耦合发送到O-W型复用单元的复用模块402;依 次类推，对于Bobn用户:波长λη的闲置光经直角棱镜50η改变光路后进入计算机控制的空间 光调制器SLM51n，计算机控制的空间光调制器SLM5 In对波长1"的闲置光携带的OAM进行相 位偏转调制加载信息，此时量子态为
，Bobn用户的 加载信息经第二单模光纤SMF52n耦合发送到O-W型复用单元的复用模块402。各个不同Bob 用户的加载信息经O-W型复用单元中的复用模块402进入符合测量单元3中的第二单光子 探测器303。
[0041] 从第一单模光纤SMF104出来的不同波长信号光进入SAM调制单元2中的半波片 HWP201，半波片HWP201和偏振分束器TOS202组成SAM调制器对不同波长信号光携带的SAM进 行调制，从而引入SAM依赖的相位偏转变化，不同波长的偏转SAM量子态可以表示为
，其中半波片HWP401取向角
（Θ为变量），此时调制的耦 合信号经过第三单模光纤SMF203发送至符合测量单元3中的第一单光子探测器301。
[0042]当Alice控制端与Bobl通信时，波长为心携带加载信息的信号光子从第三单模光纤 SMF203出来后进入符合测量单元3中的第一单光子探测器301进行记录，同时波长为A1携带加 载信息的闲置光子从O-W型复用单元中的复用模块402出来后进入第二单光子探测器303进行记 录，此时从第一单光子探测器301和第二单光子探测器303出来的记录数据同时传输进入符合 计数器302，此时两路符合概率函数尸(祆,、如下所示：
其中，角Θ是偏振态的随机可变旋转角和角X是OAM扇形态的随机可变角。符合计数器302将 两路探测器的记录结果进行符合测量并解码，从而完成Alice控制端与Bobl的安全通信。依 次类推，对于Alice控制端与其他Bob用户进行通信时，原理相同。
[0043]基于以上结构和原理可知所述多波长激光器MW-LD产生的激光脉冲在该系统的信 号传输路线如下：
[0044] 所述多波长激光器MW-LD产生不同波长的激光脉冲，不同波长激光脉冲依次输入 到波长筛选器WS和BBO晶体中，在所述BBO晶体参量下转换过程产生携带不同波长SAM纠缠 的信号光和闲置光并分成两光路:信号光路和闲置光路；
[0045] 所述信号光路路线:从所述BBO晶体输出的η组不同波长激光脉冲依次输入到所述 第一单模光纤SMF、半波片HWP、偏振分束器I 3BS、第三单模光纤SMF、第一单光子探测器最后 将其探测结果输入到所述符合计数器中；
[0046] 所述闲置光路路线:从所述BBO晶体输出的η组不同波长激光脉冲依次输入到所述 q-plate相位板、解复用模块;在解复用模块处输入到所述Bob用户端的η个Bob用户中，然后 η个Bob用户中输出后在所述复用模块处进行汇合，然后再输入到第二单光子探测器中，最 后将探测结果输入到所述符合计数器中与信号光路中的测结果进行符合测量。
[0047] 本实用新型提出了一种基于SAM-OAM混合纠缠的多用户轨道角动量波分复用QKD 网络系统，实现了大容量的量子编解码通信，且系统合理、使用操作方便、用户数扩展能力 强、通信中各用户相对独立、安全性高。
[0048]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。
【主权项】
1. 多用户轨道角动量波分复用QKD网络系统，包括Alice控制端、轨道角动量波分O-W型 复用单元和Bob用户端，其特征在于： 所述Al ice控制端包括混合纠缠产生单元、SAM调制单元和符合测量单元，所述混合纠 缠产生单元包括多波长激光器MW-LD、波长筛选器WS、BB0晶体、第一单模光纤Siff^Pq-plate 相位板;所述SAM调制单元包括半波片HffP、偏振分束器PBS和第三单模光纤SMF;所述符合测 量单元包括第一单光子探测器、符合计数器和第二单光子探测器； 所述轨道角动量波分O-W型复用单元由复用模块和解复用模块构成； 所述Bob用户端包括η个Bob用户； 所述多波长激光器MW-LD产生不同波长的激光脉冲，不同波长激光脉冲依次输入到波 长筛选器WS和BBO晶体中，在所述BBO晶体参量下转换过程产生携带不同波长SAM纠缠的信 号光和闲置光并分成两光路:信号光路和闲置光路； 所述信号光路路线:从所述BBO晶体输出的η组不同波长激光脉冲依次输入到所述第一 单模光纤SMF、半波片HWP、偏振分束器PBS、第三单模光纤SMF、第一单光子探测器最后将其 探测结果输入到所述符合计数器中； 所述闲置光路路线：从所述BBO晶体输出的η组不同波长激光脉冲依次输入到所述q-plate相位板、解复用模块;在解复用模块处输入到所述Bob用户端的η个Bob用户中，然后η 个Bob用户中输出后在所述复用模块处进行汇合，然后再输入到第二单光子探测器中，最后 将探测结果输入到所述符合计数器中与信号光路中的探测结果进行符合测量。2. 如权利要求1所述的多用户轨道角动量波分复用QKD网络系统，其特征在于，每个Bob 用户均包括直角棱镜、计算机控制的空间光调制器SLM和第二单模光纤SMF;所述解复用模 块的信号输入到每个Bob用户后依次经过所述直角棱镜、计算机控制的空间光调制器SLM和 第二单模光纤SMF然后输入到所述复用模块中汇合。3. 如权利要求2所述的多用户轨道角动量波分复用QKD网络系统，其特征在于，所述计 算机控制的空间光调制器SLM与直角棱镜的斜边平行放置。
【文档编号】H04L9/08GK205490588SQ201520945820
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2015年11月24日
【发明人】郭建军, 郭邦红, 范榕华, 张文杰
【申请人】华南师范大学