[发明专利]一种基于轨道角动量的星地量子密钥分发方法

权利要求书

1.一种基于轨道角动量的星地量子密钥分发方法，其特征在于，卫星和地面站分别表示为Alice和Bob，所述方法包括以下步骤：

Alice产生纠缠的光子对，将其中一个光子保持在身边，另一个光子通过量子通道发送至Bob，Alice和Bob共同生成轨道角动量光子对，每个轨道角动量光子对处于最大纠缠状态；

Alice随机选择N_B个MUB中的一个MUB，N_B≥2，随机选择不同的轨道角动量，对相应的光子执行d量度，将其编码为d符号，所述d量度包括大气湍流，Bob执行相同操作；

Alice和Bob两端进行符合计数，将来自共同测量的光子对中的d符号保持在同一MUB中，以生成筛选密钥；

Alice和Bob从筛选密钥里选择一部分比特进行对比，计算密钥分发过程中的平均错误率，并将该部分密钥丢弃；

基于所述平均错误率，对剩下的密钥进行纠错和隐私放大，产生最终密钥。

2.根据权利要求1所述的一种基于轨道角动量的星地量子密钥分发方法，其特征在于，所述轨道角动量光子对满足：

其中，Φ₀为基向量，H_d是d无限维状态空间的子空间，l_t为轨道角动量光子对；

Alice和Bob之间共享的量子输出状态满足：

其中，Φ_turb为无限维状态空间的子空间的输出状态，I表示作用在Alice光子上的身份算符，H_∞表示无穷维希尔伯特空间，L为卫星到地面站的信道距离，U_turb(L)为L距离的大气湍流影响，l为量子密钥传输距离，c_l为量子密钥传输速率；

在Bob端将输出状态Φ_turb投影到原始无限维状态空间的子空间上，公式如下：

其中，Φ_ps为有限维状态空间的子空间的输出状态，O是作用于Bob光子的滤波运算符，O等于其中，l_p为p维度下量子密钥传输距离；

将O代入式(15)得到星地量子密钥分发系统中的输出状态：

将Alice和Bob之间共享的平均状态转变为混合状态：

其中，ρ_AB为序列总长，＜|Φ_ps＞＜Φ_ps|＞表示输出状态整体平均值，T为地面站和卫星之间的光通道归一化时间。

3.根据权利要求1所述的一种基于轨道角动量的星地量子密钥分发方法，其特征在于，所述卫星为最大卫星高度为500km的低地球轨道卫星。

4.根据权利要求1所述的一种基于轨道角动量的星地量子密钥分发方法，其特征在于，所述卫星的高度为200-500km。

5.根据权利要求1所述的一种基于轨道角动量的星地量子密钥分发方法，其特征在于，所述地面站的卫星天顶角为0°-45°。

6.根据权利要求1所述的一种基于轨道角动量的星地量子密钥分发方法，其特征在于，所述地面站的接收器孔径半径为1-4m。

7.根据权利要求1所述的一种基于轨道角动量的星地量子密钥分发方法，其特征在于，所述Alice和Bob都配备了OAM模式分类器，能够在所有可用的MUB之间随机切换并执行相应的结果测量。

8.根据权利要求1所述的一种基于轨道角动量的星地量子密钥分发方法，其特征在于，所述Alice配备了板载SPDC源.。

9.根据权利要求1所述的一种基于轨道角动量的星地量子密钥分发方法，其特征在于，对于利用所有d+1个MUB的d维QKD，通过以下方法计算成码率：

通过下式计算中间变量K₁：

其中，Q为平均错误率；

由下式计算成码率K：

K＝Τ*K₁

其中，T为地面站和卫星之间的光通道归一化时间。