Влияние точности квантового состояния поляризации одиночных фотонов на величину битовой ошибки квантового распределения ключа

Обложка

Цитировать

Полный текст

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

Аннотация

В работе анализируется эффективность меры качества квантового состояния (фиделити) для оценки величины сырой битовой ошибки, вносимой состоянием поляризации источника одиночных фотонов. Анализ проведен для протоколов квантового распределения ключа ВВ84 и ВВМ92. Теоретически и экспериментально показано, что при уменьшении фиделити от 1 до 0 в протоколе BB84 величина сырой битовой ошибки линейно возрастает от 0 до 1, а в протоколе BBM92 – от 0 до 1 / 2. Подробно описаны экспериментальные установки для исследования влияния фиделити на величину битовой ошибки.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

Д. Н. Фроловцев

МГУ им. М. В. Ломоносова

Автор, ответственный за переписку.
Email: photonics@technosphera.ru

научный сотрудник, Физический факультет

Россия, г. Москва

А. В. Демин

Всероссийский научно-исследовательский институт оптико-физических измерений (ФГБУ «ВНИИОФИ»)

Email: photonics@technosphera.ru

к. т. н., с.н.с.

Россия, г. Москва

Список литературы

  1. Vaughan O. A platform for quantum computing. Nature Electronics 6, no. 5 (2023): 337–337. doi: 10.1038/s41928-023-00974-4.
  2. Fldzhyan S. A., Saygin M.Yu., Kulik S. P. Programmable heralded linear optical generation of two-qubit states. Physical Review Applied 20, no. 5 (2023): 054030. doi: 10.1103/PhysRevApplied.20.054030.
  3. Wang J., Sciarrino F., Laing A., Thompson M. G. Integrated photonic quantum technologies. Nature Photonics 14, no. 5 (2020): 273–284. doi: 10.1038/s41566-019-0532-1.
  4. Struchalin G. I., Zagorovskii Ya.A., Kovlakov E. V., Straupe S. S., Kulik S. P. Experimental estimation of quantum state properties from classical shadows. PRX Quantum 2, no. 1 (2021): 010307. doi: 10.1103/PRXQuantum.2.010307.
  5. Moiseev E. S., Tashchilina A., Moiseev S. A., and Sanders B. C. Broadband quantum memory in a cavity via zero spectral dispersion. New Journal of Physics 23, no. 6 (2021): 063071. doi: 10.1088/1367-2630/ac0754.
  6. Kalash M., Chekhova M. V. Wigner function tomography via optical parametric amplification. Optica 10, no. 9 (2023): 1142–1146. doi: 10.1364/OPTICA.488697.
  7. Mironov Y. B., Kazantsev S. Y., Shakhovoy R. A., Kolesnikov O. V., Mashkovtseva L. S., Zaitcev A. I., Korobov A. V. Analysis of single photon sources with quantum key distribution systems development prospects. H&ES Reserch. 2021;13(6):22–33. doi: 10.36724/2409-5419-2021-13-6-22-33.
  8. Миронов Ю. Б., Казанцев С. Ю., Шаховой Р. А., Колесников О. В., Машковцева Л. С., Зайцев А. И., Коробов А. В. Анализ перспектив развития источников одиночных фотонов в системах квантового распределения ключей. Наукоемкие технологии в космических исследованиях Земли. 2021;13(6):22–33. doi: 10.36724/2409-5419-2021-13-6-22-33.
  9. Shu H. Solve single photon detector problems. Quantum. 2023 Nov 21;7:1187. doi: 10.22331/q-2023-11-21-1187.
  10. Reutov A, Tayduganov A, Mayboroda V, Fat’yanov O. Security of the decoy-state BB84 protocol with imperfect state preparation. Entropy. 2023 Nov 17;25(11):1556. doi: 10.3390/e25111556.
  11. Chunnilall CJ, Degiovanni IP, Kück S, Müller I, Sinclair AG. Metrology of single-photon sources and detectors: a review. Optical Engineering. 2014 Aug 1;53(8):081910. doi: 10.1117/1.OE.53.8.081910.
  12. Waks E, Santori C, Yamamoto Y. Security aspects of quantum key distribution with sub-Poisson light. Physical Review A. 2002 Oct 22;66(4):042315. doi: 10.1103/PhysRevA.66.042315.
  13. Grangier P, Roger G, Aspect A. Experimental evidence for a photon anticorrelation effect on a beam splitter: a new light on single-photon interferences. Europhysics Letters. 1986 Feb 15;1(4):173. doi: 10.1209/0295-5075/1/4/004.
  14. ETSI standard. ETSI GS QKD 011 V1.1.1 (2016-05), Quantum Key Distribution (QKD); Component characterization: characterizing optical components for QKD systems. URL: https://www.etsi.org/deliver/etsi_gs/QKD/001_099/011/01.01.01_60/gs_QKD011v010101p.pdf
  15. Jozsa R. Fidelity for mixed quantum states. Journal of modern optics 41, no. 12 (1994): 2315–2323. doi: 10.1080/09500349414552171.
  16. Bennett C. H., Brassard G. An update on quantum cryptography. In Workshop on the theory and application of cryptographic techniques, pp. 475–480. Berlin, Heidelberg: Springer Berlin Heidelberg, 1984. doi: 10.1007/3-540-39568-7_39.
  17. Bennett C. H., Brassard G., Mermin N. D. Quantum cryptography without Bell’s theorem. Physical review letters 68, no. 5 (1992): 557. doi: 10.1103/PhysRevLett.68.557.
  18. Kulik S. P. Quantum cryptography. Photonics Russia. 2010;4(2):36–41. Кулик С. П. Квантовая криптография. ФОТОНИКА. 2010;4(2):36–41.
  19. Wootters W. K., Zurek W. H. A single quantum cannot be cloned. Nature 299, no. 5886 (1982): 802–803. doi: 10.1038/299802a0.
  20. Lo H.-K., Ma X., Chen K. Decoy state quantum key distribution. Physical review letters 94, no. 23 (2005): 230504. doi: 10.1103/PhysRevLett.94.230504.
  21. Couteau C. Spontaneous parametric down-conversion. Contemporary Physics 59, no. 3 (2018): 291–304. doi: 10.1080/00107514.2018.1488463.
  22. Kwiat P. G., Waks E., White A. G., Appelbaum I., Eberhard P. H. Ultrabright source of polarization-entangled photons. Physical Review A 60, no. 2 (1999): R773. doi: 10.1103/PhysRevA.60.R773.
  23. Altepeter J. B., Jeffrey E. R., Kwiat P. G. Phase-compensated ultra-bright source of entangled photons. Optics Express 13, no. 22 (2005): 8951–8959. doi: 10.1364/OPEX.13.008951.
  24. Rangarajan R., Goggin M., Kwiat P. G. Optimizing type-I polarization-entangled photons. Optics express 17, no. 21 (2009): 18920–18933. doi: 10.1364/OE.17.018920.
  25. Frolovtsev D. N., Magnitskii S. A., Demin A. V. Measurement Method of the Polarization-Entangled States of Biphotons Using a Quantum Tomograph. Measurement Techniques 64, no. 10 (2022): 809–816. doi: 10.1007/s11018-022-02008-5. Фроловцев, Д.Н., Магницкий С. А., Демин А. В. Методика измерений поляризационно-запутанных состояний бифотонов с помощью квантового томографа. Измерительная техника 10 (2023): 21–27. doi: 10.32446/0368-1025it.2021-10-21-27.
  26. Pathak N. K, Chaudhary S, Sangeeta, Kanseri B. Phase encoded quantum key distribution up to 380 km in standard telecom grade fiber enabled by baseline error optimization. Scientific Reports. 2023 Sep 22;13(1):15868. doi: 10.1038/s41598-023-42445-y.
  27. Spedalieri F. M. Quantum key distribution without reference frame alignment: Exploiting photon orbital angular momentum. Optics communications. 2006 Apr 1;260(1):340–6. doi: 10.1016/j.optcom.2005.10.001.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Схема экспериментальной установки для определения влияния фиделити на величину сырой битовой ошибки: IF405 – интерференционный фильтр, ppKTP – нелинейный кристалл трифосфата калия с регулярной доменной структурой, RG715 – светофильтр из цветного стекла, PBS – поляризационный светоделитель, IF810 – полосовой интерференционный светофильтр, C – оптоволоконный коллиматор, SPAD – детектор одиночных фотонов, λ / 2 – полуволновая пластинка

Скачать (92KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Зависимость величины битовой ошибки (BER) от фиделити F (зеленая кривая – теоретическая зависимость, красные точки – экспериментально измеренные данные)

Скачать (80KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Схема экспериментальной установки для исследования зависимости величины битовой ошибки от фиделити при использовании протокола BBM92: Laser – лазер, излучающий на длине волны 405 нм; E – призменный компенсатор формы пучка накачки; λ / 2, λ / 4 – полу- и четвертьволновые пластинки; P – кварцевая пластинка, регулирующая эллиптичность поляризации накачки; IF405 и IF810 – интерференционный полосовой светофильтр на длину волны 405 нм и 810 нм, соответственно; 2×BBO – двойной кристалл BBO, PBS – поляризационный светоделитель; С – оптоволоконный коллиматор; SPAD – детектор одиночных фотонов

Скачать (160KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Зависимость величины битовой ошибки от фиделити при использовании протокола BBM92 (закрашенная область – множество допустимых значений величины битовой ошибки согласно выражению (6); красные точки – экспериментальные данные, полученные с использованием двухкристальной схемы)

Скачать (127KB)
Метаданные

© Фроловцев Д.Н., Демин А.В., 2024