0晶体参量下转换过程产生携带奇偶拓扑荷0AM纠缠态的信 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BB0晶体输出的携带奇偶拓扑荷0AM纠缠态的激光脉冲 依次输入到所述第二全反射镜，然后改变光路后进入到所述第一分束器BS，接着信号光以 50 :50的比例分成两束，其中一束信号光经过第四全反射镜改变传播方向后直接传输到第 二分束器BS，另一束信号光经过第三全反射镜改变光路后经过第一光束旋转器BR也同时 进入到第二分束器BS;所述两束信号光在所述第二分束器处BS处发生干涉，干涉后出射的 两束光分别进入到所述调制单元，最后进入到所述符合测量单元进行测量； 所述闲置光路路线：从所述BB0晶体输出的携带奇偶拓扑荷0AM纠缠态的激光脉冲依 次输入到所述第六全反射镜然后改变光路后进入到第三分束器BS，接着闲置光以50 :50比 例分成两束，其中一束闲置光经过第八全反射镜改变传播方向后直接传输到所述第四分 束器BS，另一束闲置光经过第七全反射镜改变光路后经过第二光束旋转器BR也同时进入 所述第四分束器BS;然后所述两束闲置光在所述第四分束器BS处发生干涉，干涉后出射 的两束光分别进入到Bob用户端，最后与所述信号光一起进入到所述符合测量单元进行测 量。2. 如权利要求1所述的一种M-Z型轨道角动量纠缠密钥分发网络系统，其特征在于， 所述调制单元包括并列的第三和第四计算机控制的空间光调制器SLM以及并列的第三和 第四两条单模光纤SMF，其中所述第三计算机控制的空间光调制器SLM与第三单模光纤SMF 连接，所述第四计算机控制的空间光调制器SLM与第四单模光纤SMF连接；所述第三计算机 控制的空间光调制器SLM直接与所述第二分束器BS连接，所述第三单模光纤SMF与所述符 合测量单元连接；所述第四计算机控制的空间光调制器SLM通过第五全反射镜与所述第二 分束器BS连接，所述第四单模光纤SMF与所述符合测量单元连接。3. 如权利要求1所述的一种M-Z型轨道角动量纠缠密钥分发网络系统，其特征在于，所 述Bobl用户包括第二计算机控制的空间光调制器SLM和与其连接的第二单模光纤SMF;所 述Bob2用户包括第一计算机控制的空间光调制器SLM和与其连接的第一单模光纤SMF;所 述第二计算机控制的空间光调制器SLM通过第九全反射镜与所述第四分束器BS连接，第二 单模光纤SMF与所述符合测量单元连接；所述第一计算机控制的空间光调制器SLM与所述 第四分束器BS连接，第一单模光纤SMF与所述符合测量单元连接。4. 如权利要求2或3任一所述的一种M-Z型轨道角动量纠缠密钥分发网络系统，其特 征在于，所述符合测量单元包括第一至第四共四个单光子探测器以及第一符合计数器和第 二符合计数器；所述信号光路路线和闲置光路路线进入到所述符合测量单元中时具体光路 路线如下： 信号光路路线：从所述BBO晶体输出的携带偶拓扑荷OAM纠缠态的激光脉冲依次输入 到所述第一复用模块、第三计算机控制的空间光调制器SLM、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第一符合计数器中；从所述BBO晶体输出的携带奇 拓扑荷OAM纠缠态的激光脉冲依次输入到所述第一复用模块、第四计算机控制的空间光调 制器SLM、第四单模光纤SMF、第三单光子探测器最后将其探测结果输入到所述第二符合计 数器中； 闲置光路路线：从所述BBO晶体输出的携带偶拓扑荷OAM纠缠态的激光脉冲依次输入 到所述第二复用模块、第一计算机控制的空间光调制器SLM、第一单模光纤SMF、第二单光 子探测器最后将其探测结果输入到所述第一符合计数器中；从所述BBO晶体输出的携带奇 拓扑荷OAM纠缠态的激光脉冲依次输入到所述第二复用模块、第二计算机控制的空间光调 制器SLM、第二单模光纤SMF、第四单光子探测器最后将其探测结果输入到所述第二符合计 数器中。5. -种M-Z型轨道角动量纠缠密钥分发方法，其特征在于，包括权利要求1-4任意所述 的M-Z型轨道角动量纠缠密钥分发网络系统，其包括以下步骤：51. 奇偶拓扑荷OAM纠缠光脉冲的产生：栗浦光源LD产生激光脉冲，所述激光脉冲经 第一全反射镜改变传播方向后垂直照射BBO晶体，通过BBO晶体参量下转换产生携带奇偶 拓扑荷OAM纠缠态的信号光和闲置光； 52. OAM纠缠的M-Z型复用：在信号光光路和闲置光光路中分别用携带光束旋转器BR 的M-Z干涉仪对OAM拓扑荷为奇数和偶数的纠缠态进行分离；53. 奇偶拓扑荷OAM调制：Alice控制端中的调制单元根据OAM拓扑荷奇偶不同分别对 信号光携带的OAM进行调制，加载编码信息，并将编码信息发送给所述符合测量单元；54. 两Bob用户OAM调制：在闲置光路中，Bobl用户对OAM拓扑荷为奇数的闲置光携带 的轨道角动量态进行调制，加载编码信息，并将编码的信息发送给符合测量单元；Bob2用 户对0AM拓扑荷为偶数的闲置光携带的轨道角动量态进行调制，加载编码信息，并将编码 的信息发送给符合测量单元；55. 密钥分配与共享:Alice控制端根据需要选取不同的合法通信用户，通过单光子探 测器记录下单位时间内到达的相同0AM拓扑荷的信号光子和闲置光子，并将记录下的探测 数据发送到符合计数器，最后符合计数器将相同0AM拓扑荷的探测数据进行符合测量，根 据符合测量结果恢复出编码的密钥并建立随机秘密的序列作为原始密码，经过密钥筛选和 隐私放大获得安全密钥，从而完成两Bob用户密钥分配与共享。6. 如权利要求5所述的一种M-Z型轨道角动量纠缠密钥分发方法，其特征在于，所述 S2步骤中还包括以下步骤： S2-1.信号光复用：在信号光路中，携带奇偶拓扑荷0AM纠缠的信号光经第二全反射镜 改变传输方向后进入第一复用模块，其中携带偶拓扑荷0AM纠缠的信号光从第二分束器BS 出来直接进入所述调制单元中的第三计算机控制的空间光调制器SLM;携带奇拓扑荷0AM 纠缠的信号光从第二分束器BS出来再经第五全反射镜改变传播方向后进入所述调制单元 中的第四计算机控制的空间光调制器SLM; 52- 2.闲置光复用：在闲置光路中，携带奇偶拓扑荷OAM纠缠的闲置光经第六全反射镜 改变传输方向后进入第二复用模块，其中携带偶拓扑荷OAM纠缠的闲置光从第四分束器BS 出来直接进入所述Bob2用户的第一计算机控制的空间光调制器SLM;携带奇拓扑荷OAM纠 缠的闲置光从第四分束器BS出来再经第九全反射镜改变传播方向后进入所述Bobl用户的 第二计算机控制的空间光调制器SLM。7. 如权利要求5所述的一种M-Z型轨道角动量纠缠密钥分发方法，其特征在于，所述 S3步骤中还包括以下步骤： 53- 1.偶调制：从第一复用模块出来的携带偶拓扑荷0AM纠缠的信号光进入所述调制 单元中的第三计算机控制的空间光调制器SLM进行0AM调制加载信息，加载信息经第三单 模光纤SMF耦合发送到所述符合测量单元中的第一单光子探测器； 53- 2.奇调制：从第一复用模块出来的携带奇拓扑荷0AM纠缠的信号光进入所述调制 单元中的第四计算机控制的空间光调制器SLM进行0AM调制加载信息，加载信息经第四单 模光纤SMF耦合发送到所述符合测量单元中的第三单光子探测器。8. 如权利要求5所述的一种M-Z型轨道角动量纠缠密钥分发方法，其特征在于，所述 S4步骤中还包括以下步骤： 54- 1.Bob2调制：从第二复用模块出来的携带偶拓扑荷0AM纠缠的闲置光进入所述 Bob2用户的第一计算机控制的空间光调制器SLM进行0AM调制加载信息，加载信息经第一 单模光纤SMF耦合发送到所述符合测量单元中的第二单光子探测器； 54- 2.Bobl调制：从第二复用模块出来的携带奇拓扑荷0AM纠缠的闲置光进入所述 Bobl用户的第二计算机控制的空间光调制器SLM进行0AM调制加载信息，加载信息经第二 单模光纤SMF耦合发送到所述符合测量单元中的第四单光子探测器。9. 如权利要求5所述的一种M-Z型轨道角动量纠缠密钥分发方法，其特征在于，所述 S5步骤中还包括以下步骤： 55- 1.与Bobl通信：当Alice与Bobl通信时，通过单光子探测器记录下单位时间内到 达的奇拓扑荷0AM的信号光子和闲置光子，并将记录下的探测数据发送到符合计数器，最 后符合计数器对探测数据进行符合测量； S5-2.与Bob2通信：当Alice与Bob2通信时，通过单光子探测器记录下单位时间内到 达的偶拓扑荷0AM的信号光子和闲置光子，并将记录下的探测数据发送到符合计数器，最 后符合计数器对探测数据进行符合测量。
【专利摘要】本发明公开了一种M-Z型轨道角动量纠缠密钥分发方法与网络系统，包括Alice控制端、M-Z型复用单元和Bob用户端。Alice控制端包括纠缠产生单元、调制单元和符合测量单元；M-Z型复用单元包括第一复用模块和第二复用模块；Bob用户端包括Bob1和Bob2用户。纠缠产生单元产生携带奇偶拓扑荷OAM纠缠的闲置光和信号光,其中信号光依次经过第一复用模块、调制单元、符合测量单元；闲置光依次经过第二复用模块、Bob用户端最后和信号光在符合测量单元汇合进行密钥分配与共享。本发明利用携带光束旋转器的M-Z干涉仪可以分离奇数和偶数OAM的特性，实现了基于OAM纠缠奇偶拓扑荷调制编解码的大容量一对二QKD网络通信系统，工程应用性广泛和可扩展性强。
【IPC分类】H04L9/08
【公开号】CN105391547
【申请号】CN201510675465
【发明人】郭邦红, 郭建军, 范榕华, 张文杰
【申请人】华南师范大学
【公开日】2016年3月9日
【申请日】2015年10月16日