[实用新型]一种自旋-轨道角动量混合调制量子密钥分发系统

说明书

技术领域

本实用新型涉及量子保密通信领域，特别涉及一种自旋-轨道角动量混合调制量子密钥分发系统。

背景技术

量子密钥分发(Quantum Key Distribution,QKD)是一种被证明了的绝对安全的密码通信方式，它以量子态作为量子信息的载体编码量子比特，在保密通信合法用户之间建立起密钥共享，其安全性由量子力学原理保证。量子密钥分发系统中，编码量子信息的载体可以分为单光子和纠缠光子对两种类型。由于纠缠光子对之间有较强的纠缠联系，基于纠缠光子对的量子密钥分发系统具有更好的安全特性。

研究发现，光子可以携带自旋角动量(SAM)和轨道角动量(OAM)这两种角动量。自旋角动量与光子的圆偏振态有关，左旋圆偏振态|L>和右旋圆偏振态|R>作为自旋算符的本征态，分别携带有的自旋角动量，利用光子的自旋角动量只能实现一个量子位的编码(对应一个二维希尔伯特空间)；与自旋角动量不同的是，轨道角动量来源于光子的螺旋相位，对应轨道角动量本征态|m>，m为轨道角动量特征量子数，由于不同阶轨道角动量相互正交，m在理论上允许取任意整数，利用光子的轨道角动量可以实现一个高维希尔伯特空间的量子位编码，能够显著增大光子携带信息容量，提高编码安全性。

目前，一些利用光子轨道角动量作为信息载体的量子密钥分发系统已被提出，然而，这些系统的共同点是利用“相互无偏基”方式进行编码，这种编码模式可以看作是BB84协议的扩展，在这种通信协议下，通信双方通常还需要一条经典信道用来对比发送基和测量基，当双方选取的基不相同时，密钥信息将被舍弃掉。因此，基于“相互无偏基”编码协议的系统一方面存在信息损失导致密钥生成效率降低的问题，另一方面经典信道的设计也增加了通信系统结构的复杂度。一种基于轨道角动量纠缠的量子密钥分发系统也受到关注，它利用产生的轨道角动量纠缠信号光子和闲置光子来进行编码，采用符合测量来解调纠缠光子对上的信息。这种系统克服了上述“相互无偏基”系统存在的光子利用率低，密钥生成效率不高的缺点，并且不需要再额外设计一条经典信道，但该系统在纠缠光源制备端，对泵浦光源的波长、频率及功率要求严格，此外，在调制解调中还需要多个空间光调制器(Spatial Light Modulator,SLM)进行纠缠光子对的轨道角动量调制，导致系统结构复杂，成本较高。

实用新型内容

本实用新型的目的在于：提供一种编码信息容量大、结构简单、安全性高的自旋-轨道角动量混合调制量子密钥分发系统。

为了解决上述技术问题，本实用新型提供了一种自旋-轨道角动量混合调制量子密钥分发系统，包括泵浦光源、BBO晶体、单模光纤和q-plate相位板，所述BBO晶体与所述泵浦光源连接，用于产生信号光子与闲置光子自旋纠缠光子对，所述单模光纤用于隔离轨道角动量纠缠串扰，所述q-plate相位板用于实现光子自旋角动量向轨道角动量自由度转化，产生的混合自旋-轨道角动量纠缠光子对；还包括半波片、偏振分束器(Polarization Beam Splitter，PBS)和单模光纤，所述半波片用于对信号光子进行相位偏转调制，所述偏振分束器对信号光子用于进行偏振筛选，所述单模光纤用于对调制后的信号光子进行耦合发送；还包括空间光调制器和单模光纤，所述空间光调制器用于调制入射闲置光子轨道角动量态相位偏转，所述单模光纤用于对高斯模式闲置光子的耦合发送；还包括第一单光子探测器、第二单光子探测器和符合计数器，所述第一单光子探测器用于记录单位时间内到达的信号光子，所述第二单光子探测器用于记录单位时间内到达的闲置光子，所述符合计数器用于进行符合测量。

优选地，本实用新型还包括计算机，所述计算机通过其DVI接口与所述空间光调制器连接。所述计算机用于调制所述空间光调制器相位全息图的输出，从而实现对入射闲置光子轨道角动量态相位偏转的动态调制。

相对于现有技术，本实用新型具有以下益处：

1、本实用新型以混合自旋-轨道角动量纠缠光子对作为编码信息的载体，提高了量子密钥分发系统的安全性；

2、本实用新型的每一对混合自旋-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；