論文の概要: A Unified Framework for UAV-Based Free-Space Quantum Links: Beam Shaping and Adaptive Field-of-View Control
- arxiv url: http://arxiv.org/abs/2506.20336v1
- Date: Wed, 25 Jun 2025 11:46:56 GMT
- ステータス: 翻訳完了
- システム内更新日: 2025-07-04 13:31:08.741685
- Title: A Unified Framework for UAV-Based Free-Space Quantum Links: Beam Shaping and Adaptive Field-of-View Control
- Title（参考訳）: UAVベースの自由空間量子リンクのための統一フレームワーク:ビーム整形と適応視野制御
- Authors: Mohammad Taghi Dabiri, Mazen Hasna, Saif Al-Kuwari, Khalid Qaraqe,
- Abstract要約: 本稿では,無人航空機(UAV)-地上量子通信リンクのモデリングと性能評価のための総合的な枠組みを開発する。
主な物理的障害としては、ビームのばらつき、送信機と受信機の両方の誤差の指摘、大気の減衰、乱流による暗視、視野の狭い(FoV)フィルタリング、背景光子ノイズがある。
- 参考スコア（独自算出の注目度）: 1.8383247806376757
- License: http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
- Abstract: This paper develops a comprehensive analytical framework for modeling and performance evaluation of unmanned aerial vehicles (UAVs)-to-ground quantum communication links, incorporating key physical impairments such as beam divergence, pointing errors at both transmitter and receiver, atmospheric attenuation, turbulence-induced fading, narrow field-of-view (FoV) filtering, and background photon noise. To overcome the limitations of conventional wide-beam assumptions, we introduce a grid-based approximation for photon capture probability that remains accurate under tightly focused beams. Analytical expressions are derived for the quantum key generation rate and quantum bit error rate (QBER), enabling fast and reliable system-level evaluation. Our results reveal that secure quantum key distribution (QKD) over UAV-based free-space optical (FSO) links requires beam waists below 10 cm and sub-milliradian tracking precision to achieve Mbps-level key rates and QBER below $10^{-3}$. Additionally, we highlight the critical role of receiver FoV in balancing background noise rejection and misalignment tolerance, and propose adaptive FoV tuning strategies under varying illumination and alignment conditions. The proposed framework provides a tractable and accurate tool for the design, optimization, and deployment of next-generation airborne quantum communication systems.
- Abstract（参考訳）: 本稿では,無人航空機(UAV)と地上の量子通信リンクのモデリングと性能評価のための総合的な分析フレームワークを開発し,ビーム発散,送信機と受信機の両方の誤差の指摘,大気減衰,乱流誘起フェーディング,視野の狭さ(FoV)フィルタリング,背景光子ノイズなどの物理障害を取り入れた。
従来のワイドビーム仮定の限界を克服するために、厳密な集束ビームの下でも正確な光子捕獲確率の格子式近似を導入する。
解析式は量子鍵生成率と量子ビット誤り率(QBER)に対して導出され、高速で信頼性の高いシステムレベルの評価を可能にする。
その結果、UAVベースの自由空間光(FSO)リンク上でのセキュア量子鍵分布(QKD)は、Mbpsレベルの鍵レートを達成するために、ビーム幅が10cm以下、サブミリ波追跡精度が10-3$以下であることが判明した。
さらに,背景雑音の低減と不整合耐性のバランスをとる上で,受信機FoVが果たす重要な役割を強調し,照明条件やアライメント条件の異なるFoVチューニング戦略を提案する。
提案するフレームワークは,次世代の空中量子通信システムの設計,最適化,展開を行うための,トラクタブルで正確なツールを提供する。
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