[发明专利]基于轨道角动量的循环差分相移量子密钥分发协议

说明书

本发明公开一种基于轨道角动量的循环差分相移量子密钥分发协议，本发明采用光子轨道角动量作为信息载体，实现循环差分相移量子密钥分发协议；该协议可以不需要通过监控传输过程中的密钥错误率来进行密钥放大，这不仅减少了实际量子密钥分发过程中的操作步骤，而且可以容忍很高的密钥错误率，理论上可达50％，而BB84‑QKD协议要求密钥错误率不超过11％才能产生安全密钥。同时，本发明使用L种不同拓扑荷的轨道角动量的叠加态进行循环差分相移量子密钥分发的信息编码，理论上一个光子就能产生一比特的密钥，显著提高了密钥生成率。

技术领域

本发明属于光纤量子通信技术领域，具体是一种基于轨道角动量的循环差分相移量子密钥分发协议。

背景技术

量子密钥分发以量子理论和信息论为基础，可以在不安全的公共信道上安全地实时分发密钥。因此，将量子密钥分发与一次一密结合，可以实现无条件安全的保密通信。现有的量子密钥分发都需要通过监控传输过程中的密钥错误率来进行密钥放大，而由日本学者Sasaki等人于2014年提出的循环差分相移量子密钥分发(RRDPS-QKD)可以不需要通过监控传输过程中的密钥错误率来进行密钥放大，这不仅减少了实际量子密钥分发过程中的操作步骤，而且循环差分相移量子密钥分发可以容忍很高的密钥错误率，理论上可达50％，而BB84-QKD要求密钥错误率不超过11％才能产生安全密钥。

申请号为201810117575.X的专利公开了基于深度神经网络的自适应差分相移量子密钥分发系统及其实现方法，该系统通过量子密钥发送端调制量子信号并通过量子信道发送至量子密钥接收端，量子密钥接收端对接收到的信号进行差分检测并将检测结果送至信噪比监控及后处理模块，信噪比监控及后处理模块采用深度神经网络算法对接收到的信号进行信噪比的实时监控，并根据监控到的信噪比自适应地选择编码方案来进行纠错协商和隐私放大。但是，但是由于循环差分相移量子密钥分发理论上需要L个脉冲组成的脉冲序列才能产生一比特的密钥从而导致密钥率较低，限制了循环差分相移量子密钥分发的实用性。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的问题，提供一种基于轨道角动量的循环差分相移量子密钥分发协议，该协议使用L种不同拓扑荷的轨道角动量的叠加态进行循环差分相移量子密钥分发的信息编码，理论上只需要一个脉冲就能产生一比特的密钥，从而显著提高了密钥生成率。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

基于轨道角动量的循环差分相移量子密钥分发协议，包括以下步骤：

S1，发送端Alice利用第一随机数发生器(RNG)产生一串长度为L的二进制随机数S1,S2,…,SL；Alice再根据该串长度L生成由L个轨道角动量模式|l₁>,|l₂>,...,|l_L>的叠加态|L>构成的全息图，其中相邻轨道角动量模式的拓扑荷相差恒定为Δl；并将该全息图加载到第一空间光调制器(SLM)中；Alice再通过激光器产生具有高斯模式的激光脉冲信号，并将该激光脉冲信号输入所述第一空间光调制器(SLM)中，得到由L个轨道角动量模式叠加的脉冲信号；

S2，Alice通过强度调制器(IM)将携带有轨道角动量叠加模式的脉冲信号衰减为具有不同强度的弱相干态脉冲；再通过相位调制器(PM)将所述弱相干态脉冲的相位随机化；最后，Alice通过量子信道将所述相位随机化处理后的弱相干态脉冲信号发送给接收端Bob；

S3，Bob接收Alice发送的脉冲信号，并对该脉冲信号进行检测；Bob利用第一分束器(BS)将接收到的脉冲信号分为两个脉冲信号；Bob利用第二随机数发生器(RNG)产生一个随机数τ∈{-L+1,-L,...-2,-1,1,2,...L,L-1}，并将拓扑荷为τ·Δl的轨道角动量模式的相位全息图加载到第二空间光调制器(SLM)中；