基于光子轨道角动量编码的量子安全直接通信方法技术

本发明专利技术实现了一种基于光子轨道角动量编码的量子安全直接通信方法，构造了两个幺正算符，给出两组完备的本征量子态；进行量子安全直接通信时，基于本征量子态空间，接收方随机制备一组光子序列发给发送方；发送方从光子序列中随机选取校验光子进行或者的测量，通过公开信道比对测量基和测量结果；根据测量结果的误码率判断通信信道是否安全，信道安全时，发送方对光子进行编码操作；接收方对接收到的光子进行测量，对比光子轨道角动量的初始状态和最终状态，获取发送方所进行的编码操作，构造出发送方发送的编码逻辑比特信息。本发明专利技术利用光子轨道角动量编码，提高了量子安全直接通信的通信容量和频谱效率。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于量子通信
，具体设及一种基于光子轨道角动量编码实现的量 子安全直接通信方法。
技术介绍
现有的量子安全直接通信方案是基于单光子的偏振编码，或者纠缠光子的偏振编 码实现。为了实现量子信息的安全直接传输，信息的发送者利用单个光子编码一个量子比 特，然后将量子比特通过光纤或者自由空间传输，送达接收方。双方经过安全监测，从而在 光子比特中直接读取出量子信息。该里的信息直接编码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维编码空间，所W编码容量受局限，从 而直接影响了量子安全直接通信的比特传输速率。 1992年科学家通过实验证实的光子轨道角动量，对于同一频率的电磁波，理论上 可W有无穷多个不同轨道角动量的取值。在利用光子轨道角动量实现量子通信方面，在 2010年3月，吕宏，柯熙政公开了《光束轨道角动量的量子通信编码方法研究》，利用高阶 Bessel无衍射光束具有轨道角动量设计了一种量子编码方案。2012年，郭建军，郭邦红，程 广明等公开了《光子轨道角动量在量子通信中应用的研究进展》，在文章中介绍了利用光子 轨道角动量实现的量子密钥分配实验方案，为光子轨道角动量在量子通信中的应用提供了 思路。目前，研究人员在量子密钥分配方案中已经开始利用光子轨道角动量开展研究，利用 光子轨道角动量实现编码，完成密钥的安全传输；但是目前还没有应用到量子安全直接通 信中，实现信息的直接传输。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有量子安全直接通信方案中信道传输容量低的不足，设 计一种利用光子轨道角动量实现信息编码、解码的量子安全直接通信方法；并且，本专利技术方 法避免了通信双方测量参考系共享。 本专利技术提供了一种，具体包括 步骤： 步骤1 ;进行量子态编码； 设高维度量子空间的维度为P，其中一组完备的本征量子态表示为 {I0〉，11〉,. . .，Ip-1〉}，P为大于 2 的整数；[000引构造两个么正算符，分别是： 量子空间中的轨道角动量相位控制算符【主权项】1. 一种，其特征在于，包括如下步 骤： 步骤1:进行量子态编码； 设高维度量子空间的维度为P，P为大于2的整数； 构造量子空间中的轨道角动量相位控制算符玫《 = ei2"/p; 构造量子空间中的轨道角动量大小控制算符构造量子态编码的具体形式，为两组完备的本征量子态，其形式表示为 {11>，t= 0, 1，2, ? ? ?，p-1}以及{边 t>}; 其中，参数Sj=j+(j+l)+. . .+(p-l)，k表示 0, 1，2,. . .，p_l中任意数值； 步骤2 :进行量子安全直接通信，设通信中的发送方为A1ice和接收方为Bob，通信开始 前，通信双方预先选定维度空间P，具体通信过程包括步骤2. 1~步骤2. 4 ; 步骤2. 1 :接收方Bob随机制备一组光子序列，其内光子的轨道角动量状态随机的处在 本征量子态空间{11>,t= 0, 1，2,. . .，p-1}或者{步t>}中；Bob将光子序列发送给Alice; 步骤2. 2 :Alice接收Bob发送来的光子序列，从光子序列中随机选出一部分光子作为 校验光子，则光子序列中除去校验光子的剩余光子为待编码光子;Alice将校验光子随机 进行^^或/和文^的测量，获取校验光子的角动量状态；然后Alice和Bob通过公开信道比 对测量基和测量结果； 步骤2. 3 :如果Alice和Bob比对的测量结果的误码率低于信道的安全阈值，则通信信 道是安全，否则，通信信道不安全； 若通信信道安全，Alice对待编码光子进行编码操作；编码操作过程是：根据需要传输 的h进制信息序列，利用t操作编码逻辑比特〇，利用)A操作编码逻辑比特h，其中t 为单位矩阵，h的取值范围为（1，2, . . .，p-1) ;Alice将完成编码操作的光子发送给Bob; 若通信信道不安全，则停止当前通信； 步骤2. 4 :Bob接收到光子后，根据制备光子序列时选择的本征量子态空间，对每一个 光子在其本征量子态空间中进行测量，获取光子的轨道角动量状态；对比光子的轨道角动 量的初始状态和最终状态，Bob获取Alice所进行的编码操作，构造出Alice发送的编码逻 辑比特信息。2. 根据权利要求1所述的，其特征 在于，所述的发送方Alice，级联p个轨道角动量分离器，校验光子通过级联的p个轨道角动 量分离器，随机进行乏#或/和fp操作，其中操作通过相移片完成，fP操作通过四分之 一波片和全息片共同作用实现；输出的不同轨道角动量值的光子分量沿不同路径输出，路 径上标记有轨道角动量值《j。【专利摘要】本专利技术实现了一种，构造了两个幺正算符，给出两组完备的本征量子态；进行量子安全直接通信时，基于本征量子态空间，接收方随机制备一组光子序列发给发送方；发送方从光子序列中随机选取校验光子进行或者的测量，通过公开信道比对测量基和测量结果；根据测量结果的误码率判断通信信道是否安全，信道安全时，发送方对光子进行编码操作；接收方对接收到的光子进行测量，对比光子轨道角动量的初始状态和最终状态，获取发送方所进行的编码操作，构造出发送方发送的编码逻辑比特信息。本专利技术利用光子轨道角动量编码，提高了量子安全直接通信的通信容量和频谱效率。【IPC分类】H04L9-08【公开号】CN104811301【申请号】CN201510250394【专利技术人】王川, 王铁军, 米丝辰 【申请人】北京邮电大学【公开日】2015年7月29日【申请日】2015年5月15日本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于光子轨道角动量编码的量子安全直接通信方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1：进行量子态编码；设高维度量子空间的维度为p，p为大于2的整数；构造量子空间中的轨道角动量相位控制算符参数ω＝ei2π/p；构造量子空间中的轨道角动量大小控制算符构造量子态编码的具体形式，为两组完备的本征量子态，其形式表示为{|t>,t＝0,1,2,...,p‑1}以及{ψt>}；其中，参数sj＝j+(j+1)+...+(p‑1)，k表示0,1,2,...,p‑1中任意数值；步骤2：进行量子安全直接通信，设通信中的发送方为Alice和接收方为Bob，通信开始前，通信双方预先选定维度空间p，具体通信过程包括步骤2.1～步骤2.4；步骤2.1：接收方Bob随机制备一组光子序列，其内光子的轨道角动量状态随机的处在本征量子态空间{|t>,t＝0,1,2,...,p‑1}或者{ψt>}中；Bob将光子序列发送给Alice；步骤2.2：Alice接收Bob发送来的光子序列，从光子序列中随机选出一部分光子作为校验光子，则光子序列中除去校验光子的剩余光子为待编码光子；Alice将校验光子随机进行或/和的测量，获取校验光子的角动量状态；然后Alice和Bob通过公开信道比对测量基和测量结果；步骤2.3：如果Alice和Bob比对的测量结果的误码率低于信道的安全阈值，则通信信道是安全，否则，通信信道不安全；若通信信道安全，Alice对待编码光子进行编码操作；编码操作过程是：根据需要传输的h进制信息序列，利用操作编码逻辑比特0，利用操作编码逻辑比特h，其中为单位矩阵，h的取值范围为(1,2,...,p‑1)；Alice将完成编码操作的光子发送给Bob；若通信信道不安全，则停止当前通信；步骤2.4：Bob接收到光子后，根据制备光子序列时选择的本征量子态空间，对每一个光子在其本征量子态空间中进行测量，获取光子的轨道角动量状态；对比光子的轨道角动量的初始状态和最终状态，Bob获取Alice所进行的编码操作，构造出Alice发送的编码逻辑比特信息。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：王川，王铁军，米丝辰，
申请(专利权)人：北京邮电大学，
类型：发明
国别省市：北京;11