論文の概要: Quantum Key Distribution with Spatial Modes: From 360 to 5000-Dimensional Hilbert Space
- arxiv url: http://arxiv.org/abs/2503.22058v2
- Date: Wed, 24 Sep 2025 20:02:44 GMT
- ステータス: 翻訳完了
- システム内更新日: 2025-09-26 14:16:55.764523
- Title: Quantum Key Distribution with Spatial Modes: From 360 to 5000-Dimensional Hilbert Space
- Title（参考訳）: 空間モードをもつ量子鍵分布:360-5000次元ヒルベルト空間
- Authors: Lukas Scarfe, Yingwen Zhang, Ebrahim Karimi,
- Abstract要約: 本稿では,光子対の位置と運動量の絡み合いを利用した高次元QKDプロトコルを提案する。
我々は,90個の空間モードを用いて光子毎の5.07ビットの光子情報効率と,361個のモードで0.9Kb/sの最大ビットレートを実現する。
- 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.5097809301149342
- License: http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
- Abstract: Here, we present a high-dimensional QKD protocol utilizing the position and momentum entanglement of photon pairs. The protocol exploits the fact that position and momentum form mutually unbiased bases, linked via a Fourier transform. One photon of the entangled pair is measured by the sender in a randomly chosen basis-either position or momentum - selected passively via a 50:50 beamsplitter. This projective measurement remotely prepares the partner photon in a corresponding spatial mode, which is sent to the receiver (Bob), who similarly performs a random measurement in one of the two basis. This approach combines state preparation and measurement into a single process, eliminating the need for external random number generators. In this proof-of-principle demonstration, we achieve a photon information efficiency of 5.07 bits per photon using 90 spatial modes, and a maximum bit rate of 0.9 Kb/s with 361 modes. Looking ahead, we theoretically show that using the same entangled photon source but with next-generation event-based cameras - featuring improved quantum efficiency, timing and spatial resolution - our approach could achieve 10.9 bits per photon at 2500 spatial modes, and a maximum bit rate of 3.1 Mb/s with 5100 modes. This work establishes a scalable path toward high-dimensional, spatially encoded quantum communication with both high photon efficiency and secure bit rates.
- Abstract（参考訳）: 本稿では,光子対の位置と運動量の絡み合いを利用した高次元QKDプロトコルを提案する。
このプロトコルは、位置と運動量がフーリエ変換を介して相互に偏りのない基底を形成しているという事実を利用する。
絡み合ったペアの1つの光子は、ランダムに選択された基底位置または運動量で送信者によって測定され、50:50ビームスプリッターを介して受動的に選択される。
このプロジェクティブ測定は、受信機(Bob)に送信される対応する空間モードでパートナー光子を遠隔で準備し、同様に2つのベースのうちの1つでランダム測定を行う。
このアプローチは状態準備と測定を1つのプロセスに統合し、外部乱数生成器を不要にする。
この実証実験では,90個の空間モードを用いた光子毎の5.07ビットの光子情報効率と,361個のモードを持つ0.9Kb/sの最大ビットレートを実現する。
理論的には、同じ絡み合った光子源を用いるが、次世代のイベントベースカメラ(量子効率、タイミング、空間分解能が向上している)で2500の空間モードで1光子当たり10.9ビット、最大3.1Mb/s、5100のモードで達成できることが示されている。
この研究は、高光子効率とセキュアビットレートの両方で高次元、空間的に符号化された量子通信へのスケーラブルな経路を確立する。
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