Аксиально-симметричные пучки Эрмита-Гаусса и протокол ВВ84 на их основе для канала квантовой криптографии Космос-Земля

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Доступ платный или только для подписчиков

Аннотация

В работе приводится описание системы передачи квантовой информации с помощью пучков Эрмита-Гаусса, образованных векторной суперпозицией мод Эрмита-Гаусса с индексами 10 и 01. Показано, что аксиальная поляризационная симметрия таких пучков, не чувствительная к поворотам относительно оптической оси, является предпочтительной для космических систем квантовой криптографии и может быть использована при модификации известного протокола ВВ84. Обсуждается возможность как создания, так и детектирования таких пучков для передачи поляризационного протокола при помощи четырех аксиально-симметричных поляризационных устройств на основе радиального поляризатора.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

А. Л. Соколов

Научно-производственная корпорация «Системы прецизионного приборостроения» (АО «НПК «СПП»)

Автор, ответственный за переписку.
Email: journal@electronics.ru
ORCID iD: 0000-0001-6164-7615

доктор технических наук, проф., руководитель направления

Россия, Москва

В. М. Петров

Санкт-Петербургский государственный университет

Email: journal@electronics.ru
ORCID iD: 0000-0002-8523-0336

доктор ф.- м. наук (радиофизика), доктор ф.- м. наук (оптика), профессор, кафедра Общей физики-1

Россия, Санкт-Петербург

В. Ю. Венедиктов

Санкт-Петербургский электротехнический университет «ЛЭТИ»

Email: journal@electronics.ru

доктор ф.- м. наук, профессор, главный научный сотрудник, кафедра лазерных измерительных и навигационных систем

Россия, Санкт-Петербург

Д. Д. Решетников

Санкт-Петербургский государственный университет

Email: journal@electronics.ru
ORCID iD: 0009-0001-5587-3306

аспирант, кафедра Общей физики-1

Россия, Санкт-Петербург

Список литературы

  1. Bykovskij A. YU., Kompanec I. N. Kvantovaya kriptografiya i kombinirovannye skhemy kommunikacionnyh setej na ee osnove. Kvantovaya elektronika. 2018; 48 (9): 777. doi: 10.1070/QEL16732. (In Russ.). Быковский А. Ю., Компанец И. Н. Квантовая криптография и комбинированные схемы коммуникационных сетей на ее основе. Квантовая электроника. 2018;48 (9): 777. doi: 10.1070/QEL16732.
  2. Mirhosseini M., Magana-Loaiza O. S., O’Sullivan M. N. et al. High-dimensional quantum cryptography with twisted light. New J. Phys. 2015; 17: 033033. doi: 10.1088/1367–2630/17/3/033033.
  3. Doster T., Watnik A. Laguerre–Gauss and Bessel–Gauss beams propagation through turbulence: analysis of channel efficiency. Appl. Opt. 2016; 55 (36): 10239. http://dx.doi.org/10.1364/AO.55.010239.
  4. Lavery M. P. J., Peuntinger C., Gunthner K. et al. Free-space propagation of high-dimensional structured optical fields in an urban environment. Sci. Adv. 2017; 3 (10): e1700552. doi: 10.1126/sciadv.1700552.
  5. Z. Qu, Djordjevic I. B. High-speed free-space optical continuous-variable quantum key distribution enabled by three-dimensional multiplexing. Opt. Express. 2017; 25 (7): 7919. https://doi.org/10.1364/OE.25.007919
  6. Sit A., Fickler R., Alsairai F. et al. Quantum cryptography with structured photons through a vortex fiber. Opt. letters. 2018; 43 (17): 4108. https://doi.org/10.1364/OL.43.004108.
  7. Adam I. A., Yashin D. A., Kargina D. A. et al. Comparison of Gaussian and vortex beams in free-space QKD with phase encoding in turbulent atmosphere. Nanosystems: Phys. Chem. Math. 2022;13 (4): 392. doi: 10.17586/2220-8054-2022-13-4-392-403.
  8. Wang, Z. Malaney R., Green J. Satellite-to-Ground Multi-dimensional Quantum Teleportation via Orbital Angular Momentum. Conference paper: GLOBECOM 2019–2019 IEEE Global Communications Conference. 1 (IEEE 2019). http://dx.doi.org/10.1109/GLOBECOM38437.2019.9014321.
  9. S.-K. Liao, C. W.-Q. Cai, W.-Y. Liu et al. Satellite-to-ground Quantum Key distribution. Nature. 2017; 549: 43. https://doi.org/10.1038/nature23655.
  10. Y.-A. Chen, Q. Zhang, C.-Y. Chen et all. An integrated space-to-ground quantum communication network over 4,600 kilometres. Nature. 2021;589:214. https://doi.org/10.1038/s41586-020-03093-8
  11. Sokolov A. L. Osesimmetrichnye puchki sveta i ih primenenie dlya kosmicheskoj tekhniki. Radiotekhnika. 2023; 87 (3): 64. https://doi.org/10.18127/j00338486-202304-08. (In Russ.). Соколов А. Л. Осесимметричные пучки света и их применение для космической техники. Радиотехника. 2023; 87 (3): 64. https://doi.org/10.18127/j00338486-202304-08.
  12. Akent’ev A. S., Sadovnikov M. A., Sokolov A. L., Simonov G. V. Polyarizacionnyj analiz sistemy navedeniya kvantovo-opticheskih sistem. Optika i spektroskopiya. 2017; 122 (6): 1044. https://doi.org/10.7868/S0030403417060022. (In Russ.). Акентьев А. С., Садовников М. А., Соколов А. Л., Симонов Г. В. Поляризационный анализ системы наведения квантово-оптических систем. Оптика и спектроскопия. 2017; 122 (6): 1044. https://doi.org/10.7868/S0030403417060022.
  13. Nesterov A. V., Niz’ev V. G., Sokolov A. L. Lazernoe izluchenie s osesimmetrichnym sostoyaniem polyarizacii. Vestnik MEI. 1999; 2, 76. (In Russ.). Нестеров А. В., Низьев В. Г., Соколов А. Л. Лазерное излучение с осесимметричным состоянием поляризации. Вестник МЭИ.1999; 2:76.
  14. Tovar A. Production and propagation of cylindrically polarized Laguerr-Gaussian laser beams. J. Opt. Soc. Am. A. 1998; 15: 2705. https://doi.org/10.1364/JOSAA.15.002705.
  15. Ishchenko E. F., Sokolov A. L. Polyarizacionnaya optika (uchebnoe posobie, izd. 3). M.: Izd. – vo. FIZMATLIT. 2019. ISBN 978-5-9221-1838-5 (In Russ.). Ищенко Е. Ф., Соколов А. Л. Поляризационная оптика (учебное пособие, изд. 3). М.: Изд. – во. ФИЗМАТЛИТ. 2019. ISBN 978-5-9221-1838-5.
  16. Dorn R., Quabis S., Leuchs G. Generation of a radially polarized doughnut mode of high quality. Appl. Phys. B. 2005; 81 (5): 597. doi: 10.1007/s00340-005-1887-1.
  17. Niz’ev V. G., YAkunin V. P., Turkin N. G. Generaciya polyarizacionno-neodnorodnyh mod v moshchnom SO2-lazere. Kvantovaya elektronika. 2009; 39 (6): 505. https://doi.org/10.1070/QE2009v039n06ABEH013962. (In Russ.). Низьев В. Г., Якунин В. П., Туркин Н. Г. Генерация поляризационно-неоднородных мод в мощном СО2-лазере. Квантовая электроника. 2009; 39 (6): 505. https://doi.org/10.1070/QE2009v039n06ABEH013962.
  18. Difrakcionnaya nanofotonika. /Pod red. V. A. Sojfer. M.: Fizmatlit. 2011. ISBN 978-5-9221-1237-6. (In Russ.). Дифракционная нанофотоника. /Под ред. В. А. Сойфера. М.: Физматлит. 2011. ISBN 978-5-9221-1237-6.
  19. Sokolov A. L. Optical vortices with axisymmetric polarization structure. J. Opt. Soc. Am. A. 2013; 30 (7): 1350. http://dx.doi.org/10.1364/JOSAA.30.001350.
  20. Sadovnikov M. A., Sokolov A. L. Prostranstvennaya polyarizacionnaya struktura izlucheniya, formiruemaya ugolkovymi otrazhatelyami s nemetallizirovannymi granyami. Optika i spektroskopiya. 2009; 107(2): 213–218, ISSN 0030-4034. (In Russ.). Садовников М. А., Соколов А. Л. Пространственная поляризационная структура излучения, формируемая уголковыми отражателями с неметаллизированными гранями. Оптика и спектроскопия. 2009; 107(2): 213–218, ISSN 0030-4034.
  21. A. L. Sokolov Optical vortices with axisymmetric polarization structure, Opt. Eng., 56 (1) 014109-1-9 (2017). http://dx.doi.org/10.1117/1.OE.56.1.014109
  22. G. Ruffato, M. Girardi, M. Massari. A compact diffractive sorter for high-resolution demultiplexing of orbital angular momentum beams, Scientific reports, 8 (2018) 10248, doi: 10.1038/s41598-018-28447-1
  23. Sokolov A. L. Comparative Analysis of the Characteristics of Polar and Non-Polar Spiral Polarization Rotators. Opt. and Photon. J. 2020; 10, 13. doi: 10.4236/opj.2020.102002.
  24. Paterson C. Atmospheric Turbulence and Orbital Angular Momentum of Single Photons for Optical Communication. Phys. Rev. Letters. 2005; 94:153901. DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.94.153901
  25. Klimchitskaya G. L., Korikov C. C., Petrov V. M. Theory of reflectivity of graphene-coated material plates. Phys. Rev. B. 2015;92: 125419. DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevB.92.125419.
  26. Klimchitskaya G. L., Korikov C. C., Petrov V. M. Erratum: Theory of reflectivity of graphene-coated material plates. Phys. Rev. B. 2016; 93, 159906(E). doi: 10.1103/PhysRevB.92.125419.
  27. Klimtchitskaya G. L., Mostepanenko V. M., Petrov V. M. Impact of chemical potential on the reflectance of graphene in the infrared and microwave domains. Phys. Rev. A. 2018; 98: 023809-1-10. https://doi.org/10.1103/PhysRevA.98.023809
  28. Petrov V. M., Karaboue C., Petter J., Tschudi N., Bryksin V. V., Petrov M. P. A dynamic narrow-band tunable optical filter. Appl. Phys. B. 2003;76:41–44. https://doi.org/10.1007/s00340-002-1052-z.
  29. Khorin P. A., Degtyarev S. A., Khonina S. N. Application Study of a Refractive Biconical Axicon for Azimuthal and Radial Polarization Detection. Photonics Russia. 2023;17(5): 394–404. doi: 10.22184/1993-7296.FRos.2023.17.5.394.406
  30. Gleim A. V., Chistyakov V. V., Bannik O. L. et all. Sideband quantum communication at 1 Mbit/s on a metropolitan area network. Journal of Optical Technology. 2017; 24:362. DOI: 10.1364 /JOT.84.000362.
  31. Vashukevich E. A., Lebedev V. V., Ilichev I. V., Agruzov P. M., Shamrai A. V., Petrov V. M., Golubeva T. Yu. Broadband Chip-Based Source of Quantum Noise with Electrically Controllable Beam Splitte. Phys. Rev. Applied. 2022; 17(6): 064039. doi: 10.1103/PhysRevApplied.17.064039.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Геометрия распространения пучков с аксиальной симметрией: 1 – передатчик, (расположен на земле), 2 – приемник (расположен на спутнике); ϕ – угол поворота радиус-вектора r, z – направление распространения

Скачать (83KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Эксперимент – слева: прохождение аксиально-поляризованного пучка, представляющего суперпозицию мод Эрмита-Гаусса через турбулентную среду; справа: наличие «вилки» в интерференционной картине (изображения получены в интерферометре с использованием уголковых отражателей в качестве зеркал [20])

Скачать (441KB)
Метаданные
4. Таблица 1.

Скачать (410KB)
Метаданные
5. Таблица 2.

Скачать (968KB)
Метаданные

© Соколов А.Л., Петров В.М., Венедиктов В.Ю., Решетников Д.Д., 2023

Данный сайт использует cookie-файлы

Продолжая использовать наш сайт, вы даете согласие на обработку файлов cookie, которые обеспечивают правильную работу сайта.

О куки-файлах