Polarization analysis of quantum-optical systems for space laser communications using a modified BB84 protocol

Sokolov, A.L., Akentev A.S., Nenadovich, V.D.

For Russian citation (Opticheskii Zhurnal):

Соколов А.Л., Акентьев А.С., Ненадович В.Д. Поляризационный анализ квантово-оптических систем для космической лазерной связи с использованием модифицированного протокола BB84 // Оптический журнал. 2026. Т. 93. № 1. С. 69–79. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2026-93-01-69-79

Sokolov A.L., Akentev A.S., Nenadovich V.D. Polarization analysis of quantum-optical systems for space laser communications using a modified BB84 protocol [in Russian] // Opticheskii Zhurnal. 2026. V. 93. № 1. P. 69–79. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2026-93-01-69-79

For citation (Journal of Optical Technology):

Abstract:

Subject of study. Polarization characteristics of the guidance system of quantum optical systems for space laser communication. Aim of study. Experimental proof of the advantage of axisymmetric laser beams over beams of linearly polarized light, which are used in the BB84 protocol, for space quantum laser communication systems, due to the fact that this structure does not depend on the direction of the laser beam in the space between the ground and onboard laser terminals. Method. Determination of the radiation polarization for various azimuth and zenith angles of the guidance system of quantum-optical systems that fix the direction of the outgoing beam, as well as polarization losses. The main results. The state of the radiation polarization at the output of the guidance system was experimentally determined, and polarization losses were investigated. Practical significance. A polarization analysis of a quantum-optical laser beam guidance system, which can be used for a ground-based space laser communication system, revealed a significant change in the polarization plane orientation depending on the beam direction. Therefore, it is advisable to use laser beams with an axisymmetric polarization structure in space laser communication systems. This article presents the parameters of the main polarization elements for the formation and diagnostics of such beams.

Keywords:

quantum optical systems, cosmic laser communication, interference mirrors, spatial axisymmetric polarizing structure

OCIS codes: 230.5440

References:

1. Кулик С.П., Молотков С.Н., Маккавеев А.П. Комбинированный фазово-временной метод кодирования в квантовой криптографии // Письма в ЖЭТФ. 2007. Т. 85. Вып. 6. C. 354–359.

Kulik S.P., Molotkov S.N., Makkaveev A.P. Combined phase-time coding method in quantum cryptography // J. Experimental and Theoretical Physics Lett. 2007. V. 85. Iss. 6. P. 297–301. https://doi.org/10.1134/S0021364007060070

2. Qu Z., Djordjevic I.B. High-speed free-space optical continuous-variable quantum key distribution enabled by three-dimensional multiplexing // Opt. Exp. 2017. V. 25. № 7. P. 7919–7928. https://doi.org/10.1364/oe.25.007919

3. Mafu M., Dudley А., Sandeep Goyal S., et al. Higher-dimensional orbital-angular-momentum-based quantum key distribution with mutually unbiased bases // Phys. Rev. A. 2013 V. 88. P. 032305. https://doi.org/10.1103/PhysRevA.88.032305

4. Ивченко Е.И., Трушечкин А.С., Хмелев А.В. и др. Секретность систем квантового распределения ключей с пассивным выбором базиса при разной эффективности детекторов // Оптический журнал. 2025. Т. 92. № 7. С. 87–94. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2025-92-07-87-94

Ivchenko E.I., Trushechkin A.S., Khmelev A.V., et al. Secrecy of quantum key distribution systems with passive basis selection at different detector efficiencies // J. Opt. Technol. 2025. V. 92. № 7. https://doi.org/10.1364/JOT.92.000000

5. Ерохин К.Ю., Казанцев С.Ю., Казиева Т.В. и др. Применимость технологии квантового распределения ключей в свободной атмосфере при построении сегментов современных квантовых коммуникационных сетей // Оптический журнал. 2024. Т. 91. № 11. С. 63–70. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2024-91-11-63-70

Erokhin K.Yu., Kazantsev S.Yu., Kazieva T.V., et al. Applicability of quantum key distribution technology under free-space atmospheric conditions to construct segments of modern quantum communication networks // J. Opt. Technol. 2024. V. 91. № 11. Р. 749–752. https://doi.org/10.1364/JOT.91.000749

6. Геллерт М.Е., Сулимов Д.В., Наседкин Б.А. и др. Влияние системы поляризационного контроля на параметры системы квантового распределения ключа на непрерывных переменных // Оптический журнал. 2023. Т. 90. № 2. С. 3–10. https//doi.org/10.17586/1023-5086-2023-90-02-03-10

Gellert M.E., Sulimov D.V., Nasedkin B.A., et al. Impact of the polarization control system on continuous-variable quantum key distribution system parameters // J. Opt. Technol. 2023. V. 90. № 2. Р. 55–58. https://doi.org/10.1364/JOT.90.000055

7. Страхов С.Ю., Трилис А.В., Сотникова Н.В. Особенности передающих телескопов для систем лазерной связи // Оптический журнал. 2021. Т. 88. № 5. С. 52–59. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2021-88-05-52-59

Strakhov S.Yu., Trilis A.V., Sotnikova N.V. Specifics of transmitting telescopes for laser communication systems // J. Opt. Technol. 2021. V. 88. № 5. Р. 264–269. https://doi.org/10.1364/JOT.88.000264

8. Меснянкин Е.П., Потапов С.Л., Потапова Н.И. Особенности построения оптико-механического тракта дуплексной космической оптической линии связи // Оптический журнал. 2024. Т. 91. № 9. С. 5–17. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2024-91-09-5-17

Mesnjankin E.P., Potapov S.L., and Potapova N.I. Design features for optical-mechanical paths of duplex space optical-communication lines // J. Opt. Technol. 2024. V. 91. № 9. Р. 579–586. https://doi.org/10.1364/JOT.91.000579

9. Акентьев А.С., Соколов А.Л., Садовников М.А. и др. Поляризационный анализ системы наведения квантово-оптических систем // Опт. и спектр. 2017. Т. 122. № 6. С. 1044–1050. https://doi.org/10.7868/S0030403417060022

Akent’ev A.S., Sadovnikov M.A., Sokolov A.L., et al. Polarization analysis of the beam-steering device of quantum optical systems // Opt. and Spectrosc. 2017. V. 122. № 6. С. 1008–1014. https://doi.org/10.1134/S0030400X17060029

10. Соколов А.Л. Осесимметричные пучки света и их применение для космической техники // Радиотехника. 2023. Т. 87. № 4. С. 64–72. https://doi.org/10.18127/j00338486-202304-08

Sokolov A.L. Axisymmetric beams of light and their application for space technology [in Russian] // Radiotekhnika. 2023. V. 87. № 4. P. 64–72. https://doi.org/10.18127/j00338486-202304-08

11. Венедиктов В.Ю., Гаврильева К.Н., Гудин Ю.С. и др. Поляризационный интерферометр и структурированный свет // Фотоника. 2022. Т. 16. № 3. С. 226–234. https://doi.org/10.22184/1993-7296.fros.2022.16.3.226.234

Venediktov V.Yu., Gavril’eva K.N., Gudin Yu.S., et al. Polarization interferometer and structured light [in Russian] // Photonics. 2022. V. 16. № 3. P. 226–234. https://doi.org/10.22184/1993-7296.fros.2022.16.3.226.234

12. Рыжая А.А., Юрьева Е.К., Евтушенко Б.А. и др. Генерация оптического вихря второго порядка в поляризационном интерферометре // Оптический журнал. 2024. Т. 91. № 3. С. 23–31. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2024-91-03-23-31

Ryzhaya A.A., Iureva E.K., Evtushenko B.A., et al. Generation of a second-order optical vortex in a polarization interferometer // J. Opt. Technol. 2024. V. 91. № 3. Р. 147–151. https://doi.org/10.1364/JOT.91.000147

13. Решетников Д.Д., Соколов А.Л., Вашукевич Е.А. и др. Протокол квантового распределения ключа на аксиально-симметричных поляризационных пучках в атмосферном канале // Известия вузов. Радиофизика. 2024. Т. 67. № 1. С. 58–72. https://doi.org/10.52452/00213462_2024_67_01_58

Reshetnikov D.D., Sokolov A.L., Vashukevich E.A., et al. Quantum key distribution protocol based on axially symmetrical polarization beams in an atmospheric channel // Radiophysics and Quantum Electronics. ISSN of the electronic version in English: 1573-9120.

14. Sit A., Bouchard F., Fickler R., et al. High-dimensional intracity quantum cryptography with structured photons // Optica. 2017. V. 4. № 9. Р. 1006. https://colab.ws/articles/10.1364%2Foptica.4.001006

15. Sit А., Fickler R., Alsaiari F., et al. Quantum cryptography with structured photons through a vortex fiber // Opt. Lett. 2018. V. 43. Iss. 17. P. 4108–4111. https://doi.org/10.1364/OL.43.004108

16. Doster T. & Watnik A.T. Laguerre–Gauss and Bessel–Gauss beams propagation through turbulence: Analysis of channel efficiency // Appl. Opt. 2016. V. 55(36). P. 10239. https://doi.org/10.1364/ao.55.010239

17. Adam I.A., Yashin D.A., Kargina D.A., et al. Comparison of Gaussian and vortex beams in free-space QKD with phase encoding in turbulent atmosphere // Nanosystems: Physics, Chemistry, Mathematics. 2022. V. 13. № 4. P. 392–403. https://doi.org/10.17586/2220-8054-2022-13-4-392-403

18. Alatawi A.S., Youssef A.A., Abaza M., et al. Effects of atmospheric turbulence on optical wireless communication in NEOM smart city // Photonics. 2022. V. 9. P. 262. https://doi.org/10.3390/photonics9040262

19. Ищенко Е.Ф., Соколов А.Л.. Поляризационная оптика. 3-е изд. М.: Физматлит, 2019. 576 с.

Ishchenko E.F., Sokolov A.L. Polarization optics [in Russian]. 3rd ed. Moscow: Fizmatlit Publ., 2019. 576 p.

20. Дифракционная нанофотоника. Под ред. Сойфера В.А. М.: Физматлит, 2011. 680 с.

Diffraction nanophotonics. Ed. by Soifer V.A. Moscow: Fizmatlit Publ., 2011. 680 p.