論文の概要: Satellite-Based Quantum Communication: Performance Evaluation of Discrete-Variable Quantum Key Distribution Protocols

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2606.09217v1
• Date: Mon, 08 Jun 2026 08:51:25 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2026-06-09 14:42:06.845087
• Title: Satellite-Based Quantum Communication: Performance Evaluation of Discrete-Variable Quantum Key Distribution Protocols
• Title（参考訳）: 衛星ベースの量子通信:離散可変量子鍵分配プロトコルの性能評価
• Authors: Muskan,
• Abstract要約: 量子鍵分布(QKD)は、量子コンピューティングの時代において、コミュニケーションに対する基本的なセキュアなアプローチとして登場した。 本論文は衛星ベースのQKDプロトコルの総合的な性能解析である。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.0
• License: http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
• Abstract: Quantum Key Distribution (QKD) has emerged as a fundamentally secure approach to communication in the era of quantum computing, offering protection against threats posed to classical cryptographic schemes such as RSA and Diffie-Hellman. This thesis presents a comprehensive performance analysis of satellite-based QKD protocols, focusing on both prepare-and-measure and entanglement-based schemes under realistic atmospheric and operational conditions. The study begins by introducing the theoretical foundations of quantum communication, including qubits, entanglement, and quantum entropy, and motivates the need for satellite-based QKD to overcome the distance limitations of fiber-based systems. Subsequently, the thesis evaluates four prominent QKD protocols-BB84, B92, BBM92, and E91-using a circular beam propagation model that incorporates atmospheric effects such as diffraction, turbulence, attenuation, and pointing errors, along with environmental noise contributions for uplink and downlink. Comparative numerical simulations reveal that protocol performance is strongly influenced by channel asymmetries, beam propagation characteristics, and noise, providing guidance on optimal protocol selection for low Earth orbit (LEO) satellite links. The research further investigates high-dimensional (HD) QKD protocols, specifically HD-BB84 and HD-Extended B92, using the elliptic-beam approximation to account for turbulence-induced distortions for both uplink and downlink. Simulations under vary ing system dimensions, weather conditions, and zenith angles demonstrate that HD-BB84 achieves higher key rates, superior noise tolerance, and more favorable probability distributions of the key rate compared to HD-Extended B92, highlighting the advantages of high-dimensional encoding for robust satellite-based QKD.
• Abstract（参考訳）: 量子鍵分配(QKD)は、RSAやディフィー・ヘルマン(Diffie-Hellman)のような古典的な暗号方式による脅威に対する保護を提供する、量子コンピューティング時代のコミュニケーションに対する基本的なセキュアなアプローチとして登場した。 本論文では,現実的な大気及び運用条件下での衛星ベースのQKDプロトコルの性能解析について述べる。 この研究は、量子ビット、絡み合い、量子エントロピーを含む量子通信の理論的基礎を導入し、光ファイバー系の距離制限を克服するために衛星ベースのQKDの必要性を動機付けている。 その後、この論文は4つの顕著なQKDプロトコル(BB84、B92、BBM92、E91)を、アップリンクとダウンリンクに対する環境騒音の寄与とともに回折、乱流、減衰、ポインティングエラーなどの大気効果を含む円形ビーム伝搬モデルを用いて評価する。 比較数値シミュレーションにより、低軌道(LEO)衛星リンクの最適プロトコル選択に関するガイダンスを提供するため、プロトコル性能はチャネル非対称性、ビーム伝搬特性、ノイズに強く影響されていることが明らかとなった。 さらに,高次元(HD)QKDプロトコル,特にHD-BB84およびHD-Extended B92について,アップリンクおよびダウンリンクの乱流誘起歪みを考慮した楕円ビーム近似を用いて検討した。 各種リング系寸法, 気象条件, ゼニス角のシミュレーションにより, HD-BB84 は高調波速度, 耐雑音性, キーレートの確率分布が HD-Extended B92 と比較して良好であることが示され, 衛星ベースQKD の高次元符号化の利点を浮き彫りにしている。

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