基于光子軌道角動(dòng)量編碼的量子安全直接通信方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于量子通信技術(shù)領(lǐng)域，具體設(shè)及一種基于光子軌道角動(dòng)量編碼實(shí)現(xiàn)的量 子安全直接通信方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 現(xiàn)有的量子安全直接通信方案是基于單光子的偏振編碼，或者糾纏光子的偏振編 碼實(shí)現(xiàn)。為了實(shí)現(xiàn)量子信息的安全直接傳輸，信息的發(fā)送者利用單個(gè)光子編碼一個(gè)量子比 特，然后將量子比特通過光纖或者自由空間傳輸，送達(dá)接收方。雙方經(jīng)過安全監(jiān)測(cè)，從而在 光子比特中直接讀取出量子信息。該里的信息直接編碼在光子的偏振自由度，或者相位自 由度上，由于光子的偏振自由度和相位自由度都是二維編碼空間，所W編碼容量受局限，從 而直接影響了量子安全直接通信的比特傳輸速率。
[0003] 1992年科學(xué)家通過實(shí)驗(yàn)證實(shí)的光子軌道角動(dòng)量，對(duì)于同一頻率的電磁波，理論上 可W有無窮多個(gè)不同軌道角動(dòng)量的取值。在利用光子軌道角動(dòng)量實(shí)現(xiàn)量子通信方面，在 2010年3月，呂宏，柯熙政公開了《光束軌道角動(dòng)量的量子通信編碼方法研究》，利用高階 Bessel無衍射光束具有軌道角動(dòng)量設(shè)計(jì)了一種量子編碼方案。2012年，郭建軍，郭邦紅，程 廣明等公開了《光子軌道角動(dòng)量在量子通信中應(yīng)用的研究進(jìn)展》，在文章中介紹了利用光子 軌道角動(dòng)量實(shí)現(xiàn)的量子密鑰分配實(shí)驗(yàn)方案，為光子軌道角動(dòng)量在量子通信中的應(yīng)用提供了 思路。目前，研究人員在量子密鑰分配方案中已經(jīng)開始利用光子軌道角動(dòng)量開展研究，利用 光子軌道角動(dòng)量實(shí)現(xiàn)編碼，完成密鑰的安全傳輸；但是目前還沒有應(yīng)用到量子安全直接通 信中，實(shí)現(xiàn)信息的直接傳輸。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有量子安全直接通信方案中信道傳輸容量低的不足，設(shè) 計(jì)一種利用光子軌道角動(dòng)量實(shí)現(xiàn)信息編碼、解碼的量子安全直接通信方法；并且，本發(fā)明方 法避免了通信雙方測(cè)量參考系共享。
[0005] 本發(fā)明提供了一種基于光子軌道角動(dòng)量編碼的量子安全直接通信方法，具體包括 步驟：
[0006] 步驟1 ;進(jìn)行量子態(tài)編碼；
[0007] 設(shè)高維度量子空間的維度為P，其中一組完備的本征量子態(tài)表示為 {I0〉，11〉,. . .，Ip-1〉}，P為大于 2 的整數(shù)；
[000引構(gòu)造兩個(gè)么正算符，分別是：
[0009] 量子空間中的軌道角動(dòng)量相位控制算符
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于光子軌道角動(dòng)量編碼的量子安全直接通信方法，其特征在于，包括如下步 驟： 步驟1:進(jìn)行量子態(tài)編碼； 設(shè)高維度量子空間的維度為P，P為大于2的整數(shù)； 構(gòu)造量子空間中的軌道角動(dòng)量相位控制算符
玫《 = ei2"/p; 構(gòu)造量子空間中的軌道角動(dòng)量大小控制算符
構(gòu)造量子態(tài)編碼的具體形式，為兩組完備的本征量子態(tài)，其形式表示為 {11>，t= 0, 1，2, ? ? ?，p-1}以及{邊 t>}; 其中，
參數(shù)Sj=j+(j+l)+. . .+(p-l)，k表示 0, 1，2,. . .，p_l中任意數(shù)值； 步驟2 :進(jìn)行量子安全直接通信，設(shè)通信中的發(fā)送方為A1ice和接收方為Bob，通信開始 前，通信雙方預(yù)先選定維度空間P，具體通信過程包括步驟2. 1~步驟2. 4 ; 步驟2. 1 :接收方Bob隨機(jī)制備一組光子序列，其內(nèi)光子的軌道角動(dòng)量狀態(tài)隨機(jī)的處在 本征量子態(tài)空間{11>,t= 0, 1，2,. . .，p-1}或者{步t>}中；Bob將光子序列發(fā)送給Alice; 步驟2. 2 :Alice接收Bob發(fā)送來的光子序列，從光子序列中隨機(jī)選出一部分光子作為 校驗(yàn)光子，則光子序列中除去校驗(yàn)光子的剩余光子為待編碼光子;Alice將校驗(yàn)光子隨機(jī) 進(jìn)行^^或/和文^的測(cè)量，獲取校驗(yàn)光子的角動(dòng)量狀態(tài)；然后Alice和Bob通過公開信道比 對(duì)測(cè)量基和測(cè)量結(jié)果； 步驟2. 3 :如果Alice和Bob比對(duì)的測(cè)量結(jié)果的誤碼率低于信道的安全閾值，則通信信 道是安全，否則，通信信道不安全； 若通信信道安全，Alice對(duì)待編碼光子進(jìn)行編碼操作；編碼操作過程是：根據(jù)需要傳輸 的h進(jìn)制信息序列，利用t操作編碼邏輯比特〇，利用)A操作編碼邏輯比特h，其中t 為單位矩陣，h的取值范圍為（1，2, . . .，p-1) ;Alice將完成編碼操作的光子發(fā)送給Bob; 若通信信道不安全，則停止當(dāng)前通信； 步驟2. 4 :Bob接收到光子后，根據(jù)制備光子序列時(shí)選擇的本征量子態(tài)空間，對(duì)每一個(gè) 光子在其本征量子態(tài)空間中進(jìn)行測(cè)量，獲取光子的軌道角動(dòng)量狀態(tài)；對(duì)比光子的軌道角動(dòng) 量的初始狀態(tài)和最終狀態(tài)，Bob獲取Alice所進(jìn)行的編碼操作，構(gòu)造出Alice發(fā)送的編碼邏 輯比特信息。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于光子軌道角動(dòng)量編碼的量子安全直接通信方法，其特征 在于，所述的發(fā)送方Alice，級(jí)聯(lián)p個(gè)軌道角動(dòng)量分離器，校驗(yàn)光子通過級(jí)聯(lián)的p個(gè)軌道角動(dòng) 量分離器，隨機(jī)進(jìn)行乏#或/和fp操作，其中操作通過相移片完成，fP操作通過四分之 一波片和全息片共同作用實(shí)現(xiàn)；輸出的不同軌道角動(dòng)量值的光子分量沿不同路徑輸出，路 徑上標(biāo)記有軌道角動(dòng)量值《j。
【專利摘要】本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了一種基于光子軌道角動(dòng)量編碼的量子安全直接通信方法，構(gòu)造了兩個(gè)幺正算符，給出兩組完備的本征量子態(tài)；進(jìn)行量子安全直接通信時(shí)，基于本征量子態(tài)空間，接收方隨機(jī)制備一組光子序列發(fā)給發(fā)送方；發(fā)送方從光子序列中隨機(jī)選取校驗(yàn)光子進(jìn)行或者的測(cè)量，通過公開信道比對(duì)測(cè)量基和測(cè)量結(jié)果；根據(jù)測(cè)量結(jié)果的誤碼率判斷通信信道是否安全，信道安全時(shí)，發(fā)送方對(duì)光子進(jìn)行編碼操作；接收方對(duì)接收到的光子進(jìn)行測(cè)量，對(duì)比光子軌道角動(dòng)量的初始狀態(tài)和最終狀態(tài)，獲取發(fā)送方所進(jìn)行的編碼操作，構(gòu)造出發(fā)送方發(fā)送的編碼邏輯比特信息。本發(fā)明利用光子軌道角動(dòng)量編碼，提高了量子安全直接通信的通信容量和頻譜效率。
【IPC分類】H04L9-08
【公開號(hào)】CN104811301
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510250394
【發(fā)明人】王川, 王鐵軍, 米絲辰
【申請(qǐng)人】北京郵電大學(xué)
【公開日】2015年7月29日
【申請(qǐng)日】2015年5月15日