論文の概要: Quantum Wavefront Correction via Machine Learning for Satellite-to-Earth CV-QKD
- arxiv url: http://arxiv.org/abs/2508.10326v1
- Date: Thu, 14 Aug 2025 04:03:07 GMT
- ステータス: 翻訳完了
- システム内更新日: 2025-08-15 22:24:48.176763
- Title: Quantum Wavefront Correction via Machine Learning for Satellite-to-Earth CV-QKD
- Title（参考訳）: 衛星間CV-QKDのための機械学習による量子ウェーブフロント補正
- Authors: Nathan K. Long, Ziqing Wang, Benjamin P. Dix-Matthews, Alex Frost, John Wallis, Kenneth J. Grant, Robert Malaney,
- Abstract要約: State-of-the-the-art free-space continuous-variable quantum key distribution (CV-QKD)プロトコルは、位相参照パルスを使用して、受信機における実局所発振器の波面を変調する。
通常、これらの位相基準パルスの波面歪みは、伝送中に多重化される量子信号の波面歪みと同一であると仮定される。
多くの実世界の展開では、参照パルスと量子信号の間に相対的な波面誤差(WFE)が存在し、衛星から地球へのCV-QKDにおける安全な鍵転送を著しく制限することができる。
我が家
- 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.456504487386796
- License: http://arxiv.org/licenses/nonexclusive-distrib/1.0/
- Abstract: State-of-the-art free-space continuous-variable quantum key distribution (CV-QKD) protocols use phase reference pulses to modulate the wavefront of a real local oscillator at the receiver, thereby compensating for wavefront distortions caused by atmospheric turbulence. It is normally assumed that the wavefront distortion in these phase reference pulses is identical to the wavefront distortion in the quantum signals, which are multiplexed during transmission. However, in many real-world deployments, there can exist a relative wavefront error (WFE) between the reference pulses and quantum signals, which, among other deleterious effects, can severely limit secure key transfer in satellite-to-Earth CV-QKD. In this work, we introduce novel machine learning-based wavefront correction algorithms, which utilize multi-plane light conversion for decomposition of the reference pulses and quantum signals into the Hermite-Gaussian (HG) basis, then estimate the difference in HG mode phase measurements, effectively eliminating this problem. Through detailed simulations of the Earth-satellite channel, we demonstrate that our new algorithm can rapidly identify and compensate for any relative WFEs that may exist, whilst causing no harm when WFEs are similar across both the reference pulses and quantum signals. We quantify the gains available in our algorithm in terms of the CV-QKD secure key rate. We show channels where positive secure key rates are obtained using our algorithms, while information loss without wavefront correction would result in null key rates.
- Abstract（参考訳）: State-of-the-the-art free-space continuous-variable quantum key distribution (CV-QKD)プロトコルは、位相参照パルスを使用して、受信機における実局所振動子の波面を変調し、大気圧による波面歪みを補償する。
通常、これらの位相基準パルスの波面歪みは、伝送中に多重化される量子信号の波面歪みと同一であると仮定される。
しかし、多くの実世界の展開では、参照パルスと量子信号の間に相対的な波面誤差(WFE)が存在し、これは他の有害な効果として、衛星から地球へのCV-QKDにおける安全な鍵転送を著しく制限することができる。
本研究では,Hermite-Gaussian (HG) ベースへの参照パルスと量子信号の分解に多平面光変換を利用する機械学習に基づく新しい波面補正アルゴリズムを導入し,HGモード位相の差を推定し,この問題を効果的に解消する。
地球-衛星チャネルの詳細なシミュレーションを通して、我々の新しいアルゴリズムは、WFEが参照パルスと量子信号の両方で類似している場合に害を生じさせることなく、存在する可能性のある相対的なWFEを迅速に同定し、補償することができることを示した。
CV-QKDセキュア鍵レートの観点から,アルゴリズムで利用可能なゲインの定量化を行う。
提案アルゴリズムでは正のセキュアな鍵レートが得られるチャネルを示し,ウェーブフロント補正のない情報損失は無効な鍵レートとなる。
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