論文の概要: Inherent Turbulence Immunity of Vector Vortex Beams in Free Space Quantum Key Distribution
- arxiv url: http://arxiv.org/abs/2610.01523v1
- Date: Thu, 01 Oct 2026 11:57:08 GMT
- ステータス: 翻訳完了
- システム内更新日: 2026-10-03 01:19:24.100759
- Title: Inherent Turbulence Immunity of Vector Vortex Beams in Free Space Quantum Key Distribution
- Title（参考訳）: 自由空間量子鍵分布におけるベクトル渦ビームの固有乱流免疫
- Abstract要約: 我々は,ハイブリッド偏極-OAM絡み合った状態が,乱流摂動に対する本質的,ハードウェアフリー免疫をもたらすことを示す。
D/r = 0$ から$3.0$ の乱流強度で修正されたパワースペクトル位相スクリーンを通してモード場を伝搬することにより、VVB符号化プロトコルが量子ビット誤り率 (QBER) を 42.0% から 4.8% に抑えることを示す。
- 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.0
- License: http://arxiv.org/licenses/nonexclusive-distrib/1.0/
- Abstract: Orbital angular momentum (OAM) multiplexing provides an infinite-dimensional discrete Hilbert space ideally suited for high-capacity free-space quantum key distribution (QKD). Nevertheless, pure scalar spatial modes carrying topological charge ($|\ell| \ge 1$) undergo severe decoherence when transmitted through terrestrial atmospheric turbulence. Turbulent refractive-index eddies split high-order vortex singularities, induce catastrophic intermodal crosstalk across adjacent topological channels, and rapidly drive the quantum bit error rate (QBER) well above the unconditional 11% security threshold associated with individual cloning attacks. Here, we demonstrate that hybrid polarization-OAM entangled states, known as vector vortex beams (VVBs), provide intrinsic, hardware-free immunity against turbulent perturbations. Because the optical anisotropy of terrestrial air is exceedingly small ($Δn < 10^{-9}$), refractive-index fluctuations couple symmetrically to orthogonal circular polarization modes as an identical common-mode scalar phase screen that cancels in the relative polarization-phase degree of freedom. By numerically propagating modal fields through modified power-spectral phase screens over turbulence strengths ranging from $D/r_0 = 0$ to $3.0$, we show that the VVB encoding protocol suppresses the asymptotic QBER from 42.0% to 4.8%, yielding an error-suppression factor of approximately 11.6 without requiring active adaptive optics or deformable mirrors.
- Abstract（参考訳）: 軌道角運動量(OAM)多重化は、高容量自由空間量子鍵分布(QKD)に理想的に適合する無限次元の離散ヒルベルト空間を提供する。
それでも、トポロジカルチャージ(|\ell| \ge 1$)を持つ純粋なスカラー空間モードは、地球大気の乱流を透過する際に深刻なデコヒーレンスを行う。
乱流屈折-指数渦は高次渦特異点を分割し、隣接するトポロジカルチャネルを横断する破滅的インターモーダルクロストークを誘導し、個々のクローン攻撃に関連する無条件11%のセキュリティしきい値よりも早く量子ビット誤り率(QBER)をはるかに上回る。
ここでは,ベクトル渦ビーム(VVBs)と呼ばれるハイブリッド偏波-OAM絡み合った状態が,内在的かつハードウェアフリーな乱流乱れに対する免疫を与えることを示す。
地上空気の光学異方性は非常に小さい(Δn < 10^{-9}$)ため、屈折インデックスの揺らぎは直交円偏光モードと対称に一致し、相対偏光位相の度合いでキャンセルされる同一の共通モードスカラー位相スクリーンとなる。
D/r_0 = 0$ から$3.0$ の乱流強度で修正されたパワースペクトル位相スクリーンを通してモーダル場を数値的に伝播させることにより、VVB符号化プロトコルは漸近QBERを42.0%から4.8%に抑制し、アクティブ適応光学や変形可能なミラーを必要とせずに約11.6の誤差抑圧係数が得られることを示す。
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