DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-026-36805-7
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41580558
تاريخ النشر: 2026-01-24
المؤلف: Mikhael Sayat وآخرون
الموضوع الرئيسي: معلومات الكم والتشفير
نظرة عامة
في هذا القسم، يبحث المؤلفون في تأثير الاضطراب على أداء توزيع المفاتيح الكمية المتغيرة المستمرة في الفضاء الحر (CVQKD). يحددون الاضطراب كعامل مثبط كبير للأداء، مما يتسبب في تشوهات في طور ومقدار الموجة التي تقلل من الرؤية التداخلية بين المذبذب المحلي (LO) والإشارة الكمية أثناء نقل الحالات المتماسكة من ليزر الموجة المستمرة. تُظهر الدراسة أن دمج البصريات التكيفية (AO) في جهاز الاستقبال يمكن أن يصحح هذه التشوهات بشكل فعال، مما يؤدي إلى تحسين الرؤية التداخلية وتقليل التقلبات في كل من قناة مضطربة بطول 60 سم و30 م.
تؤكد النتائج التجريبية أن الاضطراب يؤثر سلبًا على الرؤية والتباين في الحالات المتماسكة. ومع ذلك، فإن تنفيذ نظام AO يخفف من هذه التأثيرات، مما يؤدي إلى قياسات رؤية أعلى وأكثر استقرارًا. وبالتالي، فإن هذا التحسين يترجم إلى زيادة في معدلات المفاتيح السرية (SKRs) في نظام CVQKD المثالي، مما يحسن بشكل كبير الأداء العام لـ CVQKD في البيئات المضطربة.
مقدمة
تناقش مقدمة هذه الورقة البحثية الحالة الحالية لتجارب توزيع المفاتيح الكمية المتغيرة المستمرة (CVQKD)، والتي كانت محصورة إلى حد كبير في الأنظمة المعتمدة على الألياف. بينما مكنت تقنية التعدد من تحقيق معدلات بيانات أعلى في نقل الألياف، لا تزال التطبيقات في الفضاء الحر غير مستكشفة بشكل كافٍ، مع إجراء تجارب محدودة فقط على مسافات قصيرة (460 م و860 م). يتم تسليط الضوء على التأثيرات الضارة للاضطراب الجوي على الاتصالات البصرية في الفضاء الحر، بما في ذلك التشوهات في الطور والمقدار، إلى جانب الحلول المقترحة التي تتضمن البصريات التكيفية (AO) لتعزيز أداء CVQKD من خلال تخفيف الضوضاء وتحسين معدل المفاتيح السرية (SKR).
يقدم المؤلفون دراستهم التجريبية حول تأثير الاضطراب على نقل الحالة المتماسكة في CVQKD في الفضاء الحر، باستخدام ليزر الموجة المستمرة ونظام AO في الطرف المستلم لتصحيح تشوهات الموجة. يقومون بتحديد تأثيرات الاضطراب على الرؤية التداخلية وتأثيرها اللاحق على التباين المقاس للحالة المتماسكة وSKR. تُظهر التجارب التي أجريت على قنوات بطول 60 سم و30 م، مع اضطراب ناتج عن مسدس حراري، أن نظام AO يستعيد بشكل فعال الرؤية التداخلية المفقودة، مما يؤدي إلى تحسين SKRs. تشير النتائج إلى تقدم محتمل لأنظمة CVQKD المستقبلية في البيئات الخارجية العملية، مما يمهد الطريق لحلول اتصالات كمية قابلة للتوسع.
النتائج
في هذا القسم، يقدم المؤلفون نتائج قياسات الرؤية وحسابات SKR (معدل المفتاح السري) التي أجريت لكل من قنوات الفضاء الحر بطول 60 سم و30 م. تتضمن التحليلات فحصًا دقيقًا للضوضاء الموجودة في الحالات المتماسكة، وهو أمر حاسم لفهم أداء القنوات. للحصول على نتائج أكثر شمولاً وبيانات إضافية، يتم توجيه القراء إلى الملحق ب.
المناقشة
في هذا القسم، يناقش المؤلفون تداعيات الرؤية التداخلية في أنظمة توزيع المفاتيح الكمية المتغيرة المستمرة (CVQKD)، مع التركيز على التباين بين تطبيقات الألياف والإعدادات في الفضاء الحر. في أنظمة الألياف، يتم مطابقة إشارة الكم والمذبذب المحلي (LO)، مما يحقق أقصى رؤية ($\sqrt{\eta_{\text{vis}}} = 1$). ومع ذلك، في CVQKD في الفضاء الحر، تعاني إشارة الكم من التدهور ولا يُضمن أن تكون متطابقة مع LO، مما يجعل الرؤية معلمة حاسمة لاستنتاج الخسائر وحساب معدل المفاتيح السرية (SKR). يتم قياس الرؤية من خلال تداخل الحواف على ثنائي ضوئي، مع الصيغة $\sqrt{\eta_{\text{vis}}} = \frac{I_{\text{max}} – I_{\text{min}}}{I_{\text{max}} + I_{\text{min}}}$، حيث تمثل $I_{\text{max}}$ و$I_{\text{min}}$ أقصى وأدنى شدة للحواف، على التوالي. أثناء قياسات الحالة المتماسكة، تعقد عملية قفل الطور للإشارة وLO قياسات الرؤية المباشرة، مما يتطلب رؤية مستنتجة بناءً على نسبة متوسطات إشارة AC.
يتم اشتقاق SKR تحت فرضية تعديل غاوسي وأمان الهجوم الجماعي، معبرًا عنها كـ $\text{SKR} = \beta I_{AB} – S_{BE}$، حيث $\beta$ هو كفاءة المصالحة، و$I_{AB}$ هو المعلومات المتبادلة بين أليس وبوب، و$S_{BE}$ هو حد هوليفو لمعلومات المتنصت. تعتبر مصفوفة التباين، التي تتضمن الرؤية، حاسمة لتحديد SKR، مع تعريف معامل الارتباط كـ $Z = \frac{2 \eta_{\text{vis}} \eta_{\text{det}} T}{\alpha^4 + \alpha^2}$. يوضح المؤلفون إعداد التجربة، بما في ذلك استخدام البصريات التكيفية (AO) للتخفيف من تأثيرات الاضطراب في قنوات الفضاء الحر، مما يعزز بشكل كبير الرؤية وSKR. تشير النتائج إلى أن نظام AO يحسن أداء SKR لكل من الكشف المتجانس وغير المتجانس، خاصة في الظروف المضطربة، بينما يوفر أيضًا تقديرًا أكثر دقة لـ SKR بسبب تقليل عدم اليقين في الرؤية.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-026-36805-7
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41580558
Publication Date: 2026-01-24
Author(s): Mikhael Sayat et al.
Primary Topic: Quantum Information and Cryptography
Overview
In this section, the authors investigate the impact of turbulence on the performance of free-space continuous variable quantum key distribution (CVQKD). They identify turbulence as a significant performance inhibitor, causing wavefront phase and amplitude aberrations that reduce the interferometric visibility between the local oscillator (LO) and the quantum signal during coherent state transmissions from a continuous-wave laser. The study demonstrates that incorporating adaptive optics (AO) at the receiver can effectively correct these aberrations, leading to improved interferometric visibility and reduced fluctuations in both a 60 cm and a 30 m turbulent channel.
The experimental results confirm that turbulence adversely affects visibility and variance in coherent states. However, the implementation of an AO system mitigates these effects, resulting in higher and more stable visibility measurements. Consequently, this enhancement translates to increased secret key rates (SKRs) in an ideal CVQKD system, thereby significantly improving the overall performance of free-space CVQKD in turbulent environments.
Introduction
The introduction of this research paper discusses the current state of continuous variable quantum key distribution (CVQKD) experiments, which have largely been confined to fiber-based systems. While multiplexing has enabled higher data rates in fiber transmission, free-space implementations remain underexplored, with only limited experimental demonstrations conducted over short distances (460 m and 860 m). The detrimental effects of atmospheric turbulence on free-space optical communications, including phase and amplitude distortions, are highlighted, alongside proposed solutions involving adaptive optics (AO) to enhance CVQKD performance by mitigating noise and improving the secret key rate (SKR).
The authors present their experimental study on the impact of turbulence on coherent state transmission in free-space CVQKD, utilizing a continuous-wave laser and an AO system at the receiving end to correct wavefront aberrations. They quantify the effects of turbulence on interferometric visibility and its subsequent influence on the measured variance of the coherent state and SKR. Experiments conducted over 60 cm and 30 m channels, with turbulence induced by a heat gun, demonstrate that the AO system effectively recovers lost interferometric visibility, resulting in improved SKRs. The findings suggest potential advancements for future CVQKD systems in practical outdoor environments, paving the way for scalable quantum communication solutions.
Results
In this section, the authors present the results of visibility measurements and SKR (Secret Key Rate) calculations conducted for both 60 cm and 30 m free-space channels. The analysis includes a thorough examination of the noise present in the coherent states, which is critical for understanding the performance of the channels. For more comprehensive findings and additional data, readers are directed to Appendix B.
Discussion
In this section, the authors discuss the implications of interferometric visibility in continuous-variable quantum key distribution (CVQKD) systems, particularly contrasting fiber implementations with free-space setups. In fiber systems, the quantum signal and local oscillator (LO) are mode-matched, achieving maximum visibility ($\sqrt{\eta_{\text{vis}}} = 1$). However, in free-space CVQKD, the quantum signal suffers degradation and is not guaranteed to be mode-matched with the LO, making visibility a critical parameter for inferring losses and calculating the secret key rate (SKR). The visibility is measured through interference fringes on a photodiode, with the formula $\sqrt{\eta_{\text{vis}}} = \frac{I_{\text{max}} – I_{\text{min}}}{I_{\text{max}} + I_{\text{min}}}$, where $I_{\text{max}}$ and $I_{\text{min}}$ represent the maximum and minimum fringe intensities, respectively. During coherent state measurements, the phase-locking of the signal and LO complicates direct visibility measurements, necessitating an inferred visibility based on the ratio of AC signal means.
The SKR is derived under the assumption of Gaussian modulation and collective attack security, expressed as $\text{SKR} = \beta I_{AB} – S_{BE}$, where $\beta$ is the reconciliation efficiency, $I_{AB}$ is the mutual information between Alice and Bob, and $S_{BE}$ is the Holevo bound for eavesdropper information. The covariance matrix, which incorporates visibility, is crucial for determining the SKR, with the correlation coefficient defined as $Z = \frac{2 \eta_{\text{vis}} \eta_{\text{det}} T}{\alpha^4 + \alpha^2}$. The authors detail the experimental setup, including the use of adaptive optics (AO) to mitigate turbulence effects in free-space channels, which significantly enhances visibility and SKR. Results indicate that the AO system improves SKR performance for both homodyne and heterodyne detection, particularly in turbulent conditions, while also providing a more precise estimate of SKR due to reduced visibility uncertainty.