一种SAM-OAM纠缠的多用户QKD系统及方法与流程

本发明涉及量子密码与量子通信的，具体涉及一种sam-oam纠缠的多用户qkd系统及方法。

背景技术：

1、量子密钥分发技术在理论上具有无条件安全性，通信的双方通过一个安全的密钥相互传递信息，并通过光纤信道或自由空间信道进行传输。近些年来，量子密钥分发技术在理论及量子通信与网络实践上都取得了较大的发展，已然步入应用推广阶段。

2、涡旋光束携带的信息能够在自由空间中进行传输，信道干扰极小，因此在自由空间量子密钥分发系统中具有良好的应用潜力。涡旋光束的角动量包括自旋角动量(sam)和轨道角动量(oam)，其中，自旋角动量是在自身旋转时所具有的角动量，它是粒子的一种内禀属性；轨道角动量是描述涡旋光束波前特征的物理量，其具有正交特性，在自由空间中不易受到干扰，可以稳定传输，能够为量子通信提供一个稳定可靠的自由度。

3、当光束携带轨道角动量时，其振幅函数含方位角相位其中l被称为拓扑荷数，理论上拓扑荷数可以达到无穷大。因此，轨道角动量具有正交特性，并且其拓扑荷数具有无限性，让其在多用户传输方面具有极高的应用价值。

4、但是，目前关于轨道角动量的应用主要是对其编码、加载传递信息，“端对端”应用模式。若要利用轨道角动量物理特性实现多用户的量子密钥分发，则需要额外的光分流器或者探测系统中复杂的计算机生成全息图技术，导致系统结构较为复杂，器件数量多、成本昂贵。

技术实现思路

1、本发明为了解决目前利用轨道角动量“端对端”应用，系统结构较为复杂的问题，提供一种sam-oam纠缠的多用户qkd系统及方法。

2、为实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：

3、一种sam-oam纠缠的多用户qkd系统，包括alice端、bob端、sam调制单元和测量单元；所述bob端包括第一达曼光栅、第二达曼光栅和多个bob用户；一束高斯光入射到达曼光栅后被衍射为n级，每一级都具有相同的能量；

4、所述alice端产生纠缠光子对，包括信号光子和闲置光子；其中，信号光子传输至sam调制单元中进行相位调制，调制完成后传输至测量单元；闲置光子在alice端经过轨道角动量调制以加载特定的轨道角动量阶数后传输至第一达曼光栅，根据轨道角动量阶数衍射进入bob端对应的bob用户中进行相位调制，调制完成后经过第二达曼光栅传输至测量单元；由测量单元对信号光子和闲置光子测量解码，alice端和相应的bob用户根据测量解码的结果生成量子密钥。

5、优选的，所述alice端包括激光光源、衰减器、bbo晶体、q-plate、第一准直器和凸透镜；

6、所述激光光源发出的激光信号经过衰减器后得到单一偏振的弱光信号，弱光信号经过bbo晶体进行参量下转换，形成信号光子和闲置光子；其中，信号光子传输至sam调制单元进行相位调制；闲置光子经过q-plate进行轨道角动量调制，从而加载特定的轨道角动量阶数，之后依次经过第一准直器、凸透镜传输至bob端。

7、优选的，所述bob用户包括第二准直器、空间光调制器和第三准直器；

8、进入bob用户的闲置光子经过第二准直器准直后进入空间光调制器中进行相位调制，相位调制后的闲置光子经过第三准直器准直后输出。

9、优选的，所述bob端还包括第四准直器；

10、第二达曼光栅输出的闲置光子经过第四准直器进行准直后传输至测量单元。

11、优选的，所述第一达曼光栅和第二达曼光栅对称设置。

12、优选的，所述sam调制单元包括半波片和偏振分束器；

13、所述半波片的一端与bbo晶体的输出端连接，所述半波片的另一端与偏振分束器的输入端连接，偏振分束器的输出端与测量单元的输入端连接。

14、优选的，所述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；

15、所述偏振分束器的输出端与第一单光子探测器的输入端连接，第一单光子探测器的输出端与符合计数器的一端连接，符合计数器的另一端与第二单光子探测器的输出端连接，第二单光子探测器的输入端与bob端的输出端连接。

16、优选的，信号光子通过单模光纤传输至sam调制单元，闲置光子通过单模光纤传输至测量单元。

17、优选的，所述bob端的每一个bob用户仅允许携带某一特定轨道角动量拓扑荷数的光子通过。

18、一种sam-oam纠缠的多用户qkd方法，基于所述的一种sam-oam纠缠的多用户qkd系统实现，包括以下步骤：

19、s1：激光光源发出的激光信号经过bbo晶体进行参量下转换，形成信号光子和闲置光子；

20、s2：信号光子传输至sam调制单元进行相位调制；

21、闲置光子经过q-plate进行轨道角动量调制，从而加载特定的轨道角动量阶数，并经第一达曼光栅根据轨道角动量阶数衍射进入bob端相应的bob用户中进行相位调制；

22、s3：由测量单元分别对相位调制后的信号光子和闲置光子进行测量解码；

23、s4：由alice端和相应的bob用户根据测量解码的结果生成量子密钥。

24、本发明有益的技术效果：

25、本发明提供了一种sam-oam纠缠的多用户qkd系统及方法，通过alice端产生纠缠光子对，其中信号光子传输至sam调制单元中进行相位调制，闲置光子经过轨道角动量调制后根据轨道角动量阶数衍射进入bob端相应的bob用户中进行相位调制，不需要额外的光分流器或者探测系统中复杂的计算机生成全息术，结构简单、操作方便。

技术特征：

1.一种sam-oam纠缠的多用户qkd系统，其特征在于，包括alice端、bob端、sam调制单元和测量单元；所述bob端包括第一达曼光栅、第二达曼光栅和多个bob用户；

2.根据权利要求1所述的一种sam-oam纠缠的多用户qkd系统，其特征在于，所述alice端包括激光光源、衰减器、bbo晶体、q-plate、第一准直器和凸透镜；

3.根据权利要求1所述的一种sam-oam纠缠的多用户qkd系统，其特征在于，所述bob用户包括第二准直器、空间光调制器和第三准直器；

4.根据权利要求3所述的一种sam-oam纠缠的多用户qkd系统，其特征在于，所述bob端还包括第四准直器；

5.根据权利要求1所述的一种sam-oam纠缠的多用户qkd系统，其特征在于，所述第一达曼光栅和第二达曼光栅对称设置。

6.根据权利要求2所述的一种sam-oam纠缠的多用户qkd系统，其特征在于，所述sam调制单元包括半波片和偏振分束器；

7.根据权利要求6所述的一种sam-oam纠缠的多用户qkd系统，其特征在于，所述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；

8.根据权利要求1所述的一种sam-oam纠缠的多用户qkd系统，其特征在于，信号光子通过单模光纤传输至sam调制单元，闲置光子通过单模光纤传输至测量单元。

9.根据权利要求1所述的一种sam-oam纠缠的多用户qkd系统，其特征在于，所述bob端的每一个bob用户仅允许携带某一特定轨道角动量拓扑荷数的光子通过。

10.一种sam-oam纠缠的多用户qkd方法，其特征在于，包括以下步骤：

技术总结
本发明公开了一种SAM‑OAM纠缠的多用户QKD系统，包括Alice端、Bob端、SAM调制单元和测量单元；所述Bob端包括第一达曼光栅、第二达曼光栅和多个Bob用户；本发明还公开了一种SAM‑OAM纠缠的多用户QKD方法，基于所述的一种SAM‑OAM纠缠的多用户QKD系统实现。本发明公开了一种SAM‑OAM纠缠的多用户QKD系统及方法，通过Alice端产生纠缠光子对，其中信号光子传输至SAM调制单元中进行相位调制，闲置光子经过轨道角动量调制后根据轨道角动量阶数衍射进入Bob端相应的Bob用户中进行相位调制，不需要额外的光分流器或者探测系统中复杂的计算机生成全息术，结构简单、操作方便，在多用户、高维量子密码分发与量子网络中有重要应用。

技术研发人员：郭邦红,吴俊森,谢欢文
受保护的技术使用者：广东国腾量子科技有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/3/24