論文の概要: Beam-splitter-free, high-rate quantum key distribution inspired by intrinsic quantum mechanical spatial randomness of entangled photons

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2509.10231v1
• Date: Fri, 12 Sep 2025 13:25:13 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2025-09-15 16:03:08.099786
• Title: Beam-splitter-free, high-rate quantum key distribution inspired by intrinsic quantum mechanical spatial randomness of entangled photons
• Title（参考訳）: 絡み合った光子の固有量子的空間的ランダム性にインスパイアされたビームスプリッターフリー、高レート量子鍵分布
• Authors: Ayan Kumar Nai, Gopal Prasad Sahu, Rutuj Gharate, C. M. Chandrashekar, G. K. Samanta,
• Abstract要約: 絡み合った光子源を用いた量子鍵分布(QKD)はセキュア通信の基盤となる。 本稿では,空間ランダム性に基づく空間ランダム性に基づくQKDスキームを実証し,環状SPDCエミッションリングを4つのセクションに分割する。 我々は、siftedキーレートの6.4倍の強化、一貫したQBER、論理ビット 0 と 1 間の準理想的符号化バランスを実現する。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 5.218927007871515
• License: http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
• Abstract: Quantum key distribution (QKD) using entangled photon sources (EPS) is a cornerstone of secure communication. Despite rapid advances in QKD, conventional protocols still employ beam splitters (BSs) for passive random basis selection. However, BSs intrinsically suffer from photon loss, imperfect splitting ratios, and polarization dependence, limiting the key rate, increasing the quantum bit error rate (QBER), and constraining scalability, particularly over long distances. By contrast, EPSs based on spontaneous parametric down-conversion (SPDC) intrinsically exhibit quantum randomness in spatial and spectral degrees of freedom, offering a natural replacement for BSs in basis selection. Here, we demonstrate a proof-of-concept spatial-randomness-based QKD scheme in which the annular SPDC emission ring is divided into four sections, effectively generating two independent EPSs. pair photons from these sources, distributed to Alice and Bob, enable H/V and D/A measurements. The quantum-random pair generation inherently mimics the stochastic basis choice otherwise performed by a BS. Experimentally, our scheme achieves a 6.4-fold enhancement in sifted key rate, a consistently reduced QBER, and a near-ideal encoding balance between logical bits 0 and 1. Furthermore, the need for four spatial channels can be avoided by employing wavelength demultiplexing to generate two EPSs at distinct wavelength pairs. Harnessing intrinsic spatial/spectral randomness thus enables robust, bias-free, high-rate, and low-QBER QKD, offering a scalable pathway for next-generation quantum networks.
• Abstract（参考訳）: 絡み合った光子源(EPS)を用いた量子鍵分布(QKD)はセキュア通信の基盤となる。 QKDの急速な進歩にもかかわらず、従来のプロトコルでは、パッシブランダムベース選択にビームスプリッタ(英語版)(BS)が使用されている。 しかし、BSは本質的に光子損失、不完全分裂比、偏光依存、鍵レートの制限、量子ビット誤り率(QBER)の増大、特に長距離でのスケーラビリティの制限に悩まされている。 対照的に、自然パラメトリックダウンコンバージョン(SPDC)に基づくEPSは、本質的に空間的およびスペクトル的自由度において量子ランダム性を示し、基底選択におけるBSの自然な置換を提供する。 ここでは、円環状SPDC放出リングを4つのセクションに分割し、2つの独立したEPSを効果的に生成する概念的空間ランダム性に基づくQKDスキームを実証する。 これらの源からの光子をアリスとボブに分配し、H/VとD/Aの測定を可能にする。 量子ランダム対生成は本質的にはBSが行う確率基底選択を模倣する。 実験により,Siftedキーレートの6.4倍向上,一貫したQBER,論理ビット0と1のほぼ理想的符号化バランスを実現した。 さらに、異なる波長対で2つのEPSを生成するために波長多重化を用いることにより、4つの空間チャネルの必要性を回避することができる。 固有空間/スペクトルランダム性を損なうことにより、堅牢でバイアスなし、高レート、低QBER QKDが可能になり、次世代量子ネットワークのスケーラブルな経路を提供する。

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