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基于逻辑编码的测量设备无关量子密钥分发系统及其方法

阅读：659发布：2020-05-08

专利汇可以提供基于逻辑编码的测量设备无关量子密钥分发系统及其方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明公开了一种基于逻辑编码的量子密钥分发系统，包括光路布局完全相同的Alice方制备装置和Bob方制备装置，Alice方制备装置和Bob方制备装置同步将制备好的逻辑编码光脉冲同时发送到非可信第三方测量装置。本发明还公开了一种基于逻辑编码的量子密钥分发方法，本发明旨在利用偏振-轨道角动量混合纠缠态的旋转不变的物理原理，使得人们能够使用不需要偏振补偿模块的参考系无关测量设备无关量子密钥分发系统，克服现有密钥分发系统中的偏振旋转噪声，实现安全可靠的密钥分发。，下面是基于逻辑编码的测量设备无关量子密钥分发系统及其方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.基于逻辑编码的测量设备无关量子密钥分发系统，其特征在于：包括光路布局完全相同的Alice方制备装置和Bob方制备装置，Alice方制备装置和Bob方制备装置同步将制备好的逻辑编码光脉冲同时发送到非可信第三方测量装置。
2.根据权利要求1所述的基于逻辑编码的测量设备无关量子密钥分发系统，其特征在于：所述Alice方制备装置和Bob方制备装置的光路元件分布结构为：包括激光器，激光器的光路前方设有分束器；
分束器将光束分为上、下两个光路，上光路上沿光束方向依次设有空间光调制器、偏振分束器及反射镜；
下光路上沿光束方向依次设有反射镜、空间光调制器、偏振分束器、分束器、半玻片及半玻片。
3.根据权利要求2所述的基于逻辑编码的测量设备无关量子密钥分发系统，其特征在于：两个所述半玻片6之间的夹角为θencoding。
4.根据权利要求2所述的基于逻辑编码的量子密钥分发系统，其特征在于：所述非可信第三方测量装置包括分束器，分束器产生两个对称光路，每个光路上包括模式分类器，模式分类器的光路前方对称设有两个偏振分束器、每个偏振分束器的光路前方分别对称设有两个单光子探测器。
5.基于逻辑编码的量子密钥分发方法，其特征在于：
具体过程如下：首先分别通过Alice方制备装置和Bob方制备装置进行发送方态的制备，发送方态制备好之后形成逻辑编码光脉冲；Alice方制备装置和Bob方制备装置将制备好的逻辑编码光脉冲同步发送至非可信第三方测量装置，通过非可信第三方测量装置对量子态进行确定，最后通信双方根据基比对过程提取出安全密钥生成率。
6.根据权利要求5所述的基于逻辑编码的参考系无关测量设备无关量子密钥分发方法，其特征在于：所述Alice方制备装置和Bob方制备装置进行发送方态的制备过程为：激光器发送激光脉冲，激光脉冲经过分束器后分为上下两个光路，其中，上光路的空间光调制器将光脉冲调制为-1阶拉盖尔高斯模式轨道角动量，通过角度为0o的偏振分束器进行偏振调制；下光路的空间光调制器将光脉冲调制为+1阶拉盖尔高斯模式轨道角动量，通过角度为
90°的偏振分束器进行偏振调制，最后上光路和下光路通过分束器进行耦合，得到逻辑编码基如下公式(1)所示：
通过两块角度设置为θencoding的半玻片，θencoding的琼斯矩阵为：
通过调整两个半玻片的夹角θencoding值可以完成四个逻辑基之间的转化，完成发送方的态制备过程。
7.根据权利要求5所述的基于逻辑编码的参考系无关测量设备无关量子密钥分发方法，其特征在于：所述非可信第三方测量装置的测量过程为：
Alice方制备装置和Bob方制备装置将制备好的逻辑编码光脉冲同时发送到非可信第三方测量装置中的分束器，分束器产生双光子干涉过程分为两个对称的光路，逻辑编码光脉冲经过模式分类器完成单光子级轨道角动量|l>和|r>的区分，具备相同轨道角动量模式的光子再经过偏振分束器完成偏振模式的区分到达单光子探测器进行探测响应，响应结果为贝尔态和时可以确定Alice方制备装置和Bob方制备装置制备的量子态，响应结果为贝尔态和时不能确定发送方和制备的量子态，最后通信双方根据基比对过程提取出安全密钥生成率。

说明书全文

基于逻辑编码的测量设备无关量子密钥分发系统及其方法

技术领域

[0001] 本发明属于量子信息处理技术领域，涉及一种基于逻辑编码的测量设备无关量子密钥分发系统，本发明还涉及上述分发系统的分发方法。

背景技术

[0002] 目前市场上主要有两种编码方式的测量设备无关量子密钥分发系统：偏振编码测量设备无关量子密钥分发系统和相位编码测量设备无关量子密钥分发系统。其中偏振编码测量设备无关量子密钥分发系统以其易于探测、适合自由空间量子通信等特点，在目前量子通信领域占据一定的市场地位与技术优势。

[0003] 目前商品化的偏振编码测量设备无关量子密钥分发系统均需要采用偏振主动补偿校正模块对系统收发的偏振态进行补偿，在一定程度上限制了密钥分发系统的安全密钥生成速率。虽然现在也出现了通过调整光源强度实现偏振无关的量子密钥分发系统，但是由于光源强度的调节需要主动控制，且增加了数据后处理的复杂度，实际效果并不能满足市场的需要。

发明内容

[0004] 本发明的目的是提供一种基于逻辑编码的测量设备无关量子密钥分发系统，该系统克服了现有密钥分发系统中的偏振旋转噪声，实现安全可靠的密钥分发。

[0005] 本发明的目的是还提供一种基于逻辑编码的测量设备无关量子密钥分发方法。

[0006] 本发明所采用的第一种技术方案是，基于逻辑编码的测量设备无关量子密钥分发系统，包括光路布局完全相同的Alice方制备装置和Bob方制备装置，Alice方制备装置和Bob方制备装置同步将制备好的逻辑编码光脉冲同时发送到非可信第三方测量装置。

[0007] 本发明所采用的第一种技术方案的特点还在于，

[0008] Alice方制备装置和Bob方制备装置的光路元件分布结构为：包括激光器，激光器的光路前方设有分束器；

[0009] 分束器将光束分为上、下两个光路，上光路上沿光束方向依次设有空间光调制器、偏振分束器及反射镜；

[0010] 下光路上沿光束方向依次设有反射镜、空间光调制器、偏振分束器、分束器、半玻片及半玻片。

[0011] 两个半玻片6之间的夹角为θencoding。

[0012] 非可信第三方测量装置包括分束器，分束器产生两个对称光路，每个光路上包括模式分类器，模式分类器的光路前方对称设有两个偏振分束器、每个偏振分束器的光路前方分别对称设有两个单光子探测器。

[0013] 本发明所采用的第二种技术方案为，基于逻辑编码的测量设备无关量子密钥分发方法，具体过程如下：首先分别通过Alice方制备装置和Bob方制备装置进行发送方态的制备，发送方态制备好之后形成逻辑编码光脉冲；Alice方制备装置和Bob方制备装置将制备好的逻辑编码光脉冲同步发送至非可信第三方测量装置，通过非可信第三方测量装置对量子态进行确定，最后通信双方根据基比对过程提取出安全密钥生成率。

[0014] Alice方制备装置和Bob方制备装置进行发送方态的制备过程为：激光器发送激光脉冲，激光脉冲经过分束器后分为上下两个光路，其中，上光路的空间光调制器将光脉冲调制为-1阶拉盖尔高斯模式轨道角动量，通过角度为0°的偏振分束器进行偏振调制；下光路的空间光调制器将光脉冲调制为+1阶拉盖尔高斯模式轨道角动量，通过角度为90°的偏振分束器进行偏振调制，最后上光路和下光路通过分束器进行耦合，得到逻辑编码基如下公式(1)所示：

[0015]

[0016] 通过两块角度设置为θencoding的半玻片，θencoding的琼斯矩阵为：

[0017]

[0018] 通过调整两个半玻片的夹角θencoding值可以完成四个逻辑基之间的转化，完成发送方的态制备过程。

[0019] 非可信第三方测量装置的测量过程为：

[0020] Alice方制备装置和Bob方制备装置将制备好的逻辑编码光脉冲同时发送到非可信第三方测量装置中的分束器，分束器产生双光子干涉过程分为两个对称的光路，逻辑编码光脉冲经过模式分类器完成单光子级轨道角动量|l>和|r>的区分，具备相同轨道角动量模式的光子再经过偏振分束器完成偏振模式的区分到达单光子探测器进行探测响应，响应结果为贝尔态和时可以确定Alice方制备装置和Bob方制备装置制备的量子态，响应结果为贝尔态和时不能确定发送方和制备的量子态，最后通信双方根据基比对过程提取出安全密钥生成率。

[0021] 本发明的有益效果是，本发明能够克服信道环境中的偏振旋转噪声，同时使得现有的测量设备无关量子密钥分发系统不需要偏振主动补偿模块，简化了系统的复杂度。本发明旨在利用偏振-轨道角动量混合纠缠态的旋转不变的物理原理，使得人们能够使用不需要偏振补偿模块的参考系无关测量设备无关量子密钥分发系统，克服现有密钥分发系统中的偏振旋转噪声，实现安全可靠的密钥分发。附图说明

[0022] 图1是本发明基于逻辑编码的测量设备无关量子密钥分发系统的结构示意图。

[0023] 图中，1.激光器，2.分束器，3.空间光调制器，4.反射镜，5.偏振分束器，6.半波片，7.模式分类器，8.单光子探测器，9.Alice方制备装置，10.Bob方制备装置，11.非可信第三方测量装置。

具体实施方式

[0024] 下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

[0025] 本发明基于逻辑编码的测量设备无关量子密钥分发系统，如图1所示，包括Alice方制备装置9、Bob方制备装置10和非可信第三方测量装置11三个部分。(Alice方和Bob方仅代表发送信号的通讯双方)

[0026] Alice方制备装置9和Bob方制备装置10的结构相同，包括激光器1，激光器1的光路前方设有分束器2，

[0027] 分束器2将光束分为上、下两个光路，上光路上沿光束方向依次设有空间光调制器3、偏振分束器5及反射镜4；

[0028] 下光路上沿光束方向依次设有反射镜4、空间光调制器3、偏振分束器5、分束器2、半玻片6及半玻片6。

[0029] 两个半玻片6之间的夹角为θencoding。

[0030] 非可信第三方测量装置11包括分束器2，分束器2产生两个对称光路，每个光路上包括模式分类器7，模式分类器7的光路前方对称设有两个偏振分束器5、每个偏振分束器5的光路前方分别对称设有两个单光子探测器8。

[0031] 本发明基于逻辑编码的测量设备无关量子密钥分发系统的分发方法为，具体过程如下：

[0032] Alice方制备装置9和Bob方制备装置10进行的发送方态制备过程相同，具体如下：激光器1发送激光脉冲，激光脉冲经过分束器2后分为上下两个光路，其中，上光路的空间光调制器3将光脉冲调制为-1阶拉盖尔高斯模式轨道角动量，通过角度为0°的偏振分束器5进行偏振调制；下光路的空间光调制器3将光脉冲调制为+1阶拉盖尔高斯模式轨道角动量，通过角度为90°的偏振分束器5进行偏振调制，最后上光路和下光路通过分束器2进行耦合，得到逻辑编码基如下公式(1)所示：

[0033]

[0034] 通过两块角度设置为θencoding的半玻片6，θencoding的琼斯矩阵为：

[0035]

[0036] 通过调整两个半玻片6的夹角θencoding值(θencoding＝0°,45°,±22.5°)可以完成四个逻辑基之间的转化(|0L>→|0L>，|1L〉，|±L>)，完成发送方的态制备过程。反射镜4主要完成光路方向的调整。其中α为单个半玻片6与中心轴线之间的夹角。

[0037] 非可信第三方测量装置11的测量过程为：

[0038] Alice方制备装置9和Bob方制备装置10将制备好的逻辑编码光脉冲同时发送到非可信第三方测量装置11中的分束器2，分束器2产生双光子干涉过程分为两个对称的光路，逻辑编码光脉冲经过模式分类器7完成单光子级轨道角动量|l>和|r>的区分，具备相同轨道角动量模式的光子再经过偏振分束器5完成偏振模式的区分到达单光子探测器8进行探测响应，响应结果为贝尔态和时可以确定Alice方制备装置9和Bob方制备装置10制备的量子态，响应结果为贝尔态和时不能确定发送方9和10制备的量子态，最后通信双方根据基比对过程提取出安全密钥生成率。

[0039] 本发明基于逻辑编码的测量设备无关量子密钥分发系统的特点为：采用偏振-轨道角动量逻辑编码，利用这两个光子自由度在信道中的偏振旋转产生的相移可以相互抵消，来实现测量设备无关量子密钥分发系统的参考系无关，使信道任意的偏振旋转都不会影响最终测量的光脉冲偏振态。

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