[发明专利]一种使用轨道角动量编码的量子密钥分发方法

说明书

本发明公开一种使用轨道角动量编码的量子密钥分发方法：步骤1、构建一般测量设备无关QKD协议模型，Alice和Bob是需建立安全密钥共享的合法通信双方，Charlie是不可信的第三方测量设备；步骤2、第三方完成对辅助光子的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、通信双方根据测量结果得到密钥种子；步骤4、重复步骤1‑3，获得足够长的密钥种子；步骤5、生成具有相同秩的斐波那契密钥矩阵；步骤6、验证密钥矩阵是否正确。本发明优点：(1)不需要调整系统参考系。(2)不需要对量子比特进行翻转。(3)使用高容量编码方式，提高了纠缠光子编码能力。(4)具有高数据传输速率。

技术领域

本发明涉及一种使用轨道角动量编码的量子密钥分发方法，属于通信网络技术领域。

背景技术

量子密钥分发(Quantum Key Distribution,QKD)技术是量子通信中发展比较成熟的一个分支，而且用于设计实验了一些节点数量有限的小型化QKD网络，尤其是基于量子卫星的QKD网络可以极大地增加通信距离。虽然量子卫星克服了远距离光子损耗的问题，但是通信的实时全方位覆盖和多节点建设问题仍待解决，限制了其实际应用范围。此外，在太空建立完整的量子卫星通信网络需要耗费大量的人力物力以及时间。近年，研究人员开始对低空机载QKD平台进行研究，这种网络部署方式具有结构简单、操作方便、成本低等显著特点，在未来的量子通信网络中将有广泛的应用前景。

在基于光纤信道的QKD系统中，光纤中存在的双折射现象和衰减效应会限制密钥分发的安全距离，该距离一般只能达到百公里左右。实现更远距离的量子密钥分发需要使用其它的方法。在自由空间信道中，携带信息的光信号基本上可以忽略双折射现象，并且退相干效应较小。此外，实验中应用的光信号波段在自由空间中传输性质好、损耗低，相关的探测器技术也逐渐成熟。但是，近地面的自由空间QKD仍会受到大气湍流、天气情况以及地形的影响，同样无法实现更远的安全传输距离。随着对飞行器技术和量子卫星的研究，研究人员计划利用地球卫星或其他空间平台作为中继节点从而实现更远距离乃至全球范围的QKD网络，特别是在真空环境中，光信号几乎可以无损的传输。使用轨道角动量(OrbitalAngular Momentum,OAM)编码量子信息具有两个优势：一是OAM态在传输方向上具有旋转不变性，因此发送方和接收方不必实时调整参考系统。二是OAM理论上具有无限维本征态，利用高维编码能大大提高系统的编码效率。

近年，轨道角动量技术得到了迅速发展，如产生、控制以及与其他系统接口等关键技术。此外，Yu等人提出了使用平面等离子体界面来产生单OAM状态的光束。研究还表明，纳米等离子体螺旋阵列中独特的散射共振可以支持光子带隙，其带边模式具有多个分布在斐波那契数之间的OAM值。因此人们开始对高容量量子密钥分发方案进行研究，并取得了一定进展。通过发展高维希尔伯特空间来研究高容量量子密钥分发方案的研究有两个主要优势：一方面一个共享密钥的多个比特可以编码在一个量子上。另一方面高维系统对某些类型的噪声具有更强的鲁棒性。2013年，Simon等人提出了一种高容量、高效率形式的量子密钥分发方案。他们利用专门设计的光的OAM纠缠态和斐波那契数列来实现量子密钥分发，该方案单次量子信息的传输容量进一步增大，但是其方案的高容量特性仍然受到实现困难，编码不够灵活的限制。该方案存在的问题主要是因为增加信息容量依赖于具有更大带宽的OAM和用于编码的方法，因此由于实际带宽的限制，它不可能同时满足较长的传输距离和较低的误码率。其次，虽然Simon等人的OAM-QKD协议的理论分析已经提出，但由于实际应用系统的硬件设备存在缺陷，仍可能会遭受光子数分离攻击、致盲攻击等。在2012年时，Lo等人就提出了使用测量设备独立性的方法来解决测量端漏洞的问题。在测量设备无关QKD协议(Measurement-device-independent QKD,MDI-QKD)中，合法通信双方(Alice和Bob)将量子密钥信息发送给第三方(Charlie)完成Bell测量，即使Charlie是不可信的，也可以完成一个安全的QKD过程。而且在该系统中，Alice或Bob信息的传输距离只是Alice或Bob信息到检测器的距离，因此，Alice和Bob之间的通信距离是QKD中实际传输距离的两倍。