[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

摘要

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。

主权项

1.基于轨道角动量的循环差分相移量子密钥分发方法，其特征在于，包括以下步骤：S1，发送端Alice利用第一随机数发生器产生一串长度为L的二进制随机数S₁,S₂,…,S_L；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中；S4，Bob利用第二分束器将所述两个脉冲信号合并，再从第二分束器的两个输出端输出，分别进入基于坐标变换的第一分离器和第二分离器；所述第一分离器、第二分离器的输出端均设有由L个单光子探测器组成的探测器阵列；其中，所述第一分离器输出端的探测器分别用于探测轨道角动量模式|l₁>,|l₂>,...,|l_L>；所述第二分离器输出端的探测器分别用于探测轨道角动量模式|‑l₁>,|‑l₂>,...,|‑l_L>；Bob根据产生响应的探测器编号i获得一比特的密钥S_B；其中，探测器编号i＝1,2,…,L；S5，Bob公布产生响应的的探测器编号i和由随机数τ计算得到的j＝i‑τ；Alice再依据Bob公布的数据(i,j)，通过模2加计算提取密钥S6，重复执行步骤S1至S5，得到足够的筛选密钥，Alice和Bob确定信道安全后，经过错误更正和秘密放大，提取安全密钥。