[发明专利]一种使用轨道角动量编码的量子密钥分发方法

权利要求书

1.一种使用轨道角动量编码的量子密钥分发方法，其特征在于：该方法包含以下步骤：

步骤1.构建一般测量设备无关QKD协议模型，其中Alice和Bob是需要建立安全密钥共享的合法通信双方，负责制备光子信息；而Charlie是一个不可信的第三方测量设备，负责检测由Alice和Bob传输的纠缠光子；Alice使用斐波那契Fibonacci值编码OAM纠缠光子对，记为Bob使用卢卡斯lucas值编码OAM纠缠光子对，记为|φ；OAM纠缠态中存在的两种光子态分别命名为Fibonacci值的信号光子态和辅助光子态，其中信号光子态记为|F_ks，辅助光子态记为|F_ki，其中k为正整数；Alice和Bob分别将纠缠对中信号光子留给自己；与此同时，Alice和Bob分别将调制好的辅助光子通过自由空间信道发送给第三方测量设备Charlie；

步骤2.在Charlie的测量设备中，首先使用两个静态光学OAM分选机以及一个透镜过滤出叠加态和并阻止任何非Fibonacci值的OAM态通过；L_C1、D_C1、L_C2和D_C2是四个单光子探测器，用于检测Fibonacci值的OAM态，其中L_C1用于检测OAM态|F_k-2/|F_k-1；L_C2用于检测OAM态|F_k-1/|F_k+1；D_C1用于检测OAM叠加态D_C2用于检测OAM叠加态然后，当且仅当L_C1和L_C2、L_C1和D_C2、D_C1和L_C2、D_C1和D_C2四种情况中任一种情况下的两个探测器同时触发时，本次测量成功；最后，Charlie完成了对辅助光子的Bell态测量，并将测量结果通过经典公开信道发送给Alice和Bob；

步骤3.根据测量结果，Alice和Bob保留所有结果中对应Charlie成功测量的情况；然后，Alice将本地保留的信号光子调制后传输到本方的L_A探测器中，同时Bob也将本地保留的信号光子调制后传输到本方的L_B探测器中；Alice和Bob分别使用OAM分选器L_A或L_B对信号光子态进行检测；如果Alice或Bob发现Charlie发布的结果与他们检测到的结果不匹配，通信双方将终止通信；否则，他们将执行下述操作；合法通信双方Alice和Bob，当一方检测到确定的Fibonacci值时，另一方检测到的Fibonacci值仍然还不能确定；当Alice检测到一个确定的Fibonacci值时，它可以根据Fibonacci编码的OAM纠缠态公式和Charlie的测量结果，使用公式F_k＝F_k-1+F_k-2,k≥2，k为整数，得到用于生成密钥信息的Fibonacci值，记为F_k；同时，Bob检测到一个确定的Fibonacci值时，可以根据lucas编码的OAM纠缠态公式|φ和Charlie的测量结果，使用公式L_k＝F_k+1+F_k-1,k≥2，k为整数，得到用于生成密钥信息的lucas值，记为L_k；然后，Alice和Bob根据Fibonacci序列和Lucas序列可以同时得到F_k和L_k，进一步得到密钥种子F_2k＝F_k×L_k；上述过程不需要交换经典信息，也不需要进行比特位翻转；

步骤4.Alice和Bob重复步骤1—3，直到获得足够长的密钥种子；

步骤5.根据Charlie的探测器的结果，Alice和Bob得到Fibonacci密钥矩阵的密钥种子F_2k；然后，他们使用随机数生成器生成具有相同秩的Fibonacci密钥矩阵；

步骤6.Alice和Bob可以通过Fibonacci密钥矩阵对应的行列式det(D_2k)＝1，验证密钥矩阵是否正确；如果行列式的秩不等于1，则中止通信；否则，他们可以使用Fibonacci对角线密钥矩阵通过矩阵乘法对数字消息进行加密。