Поляризационный анализ квантово-оптических систем для космической лазерной связи с использованием модифицированного протокола BB84

Соколов А.Л., Акентьев А.С., Ненадович В.Д.

Ссылка для цитирования:

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

Ссылка на англоязычную версию:

Аннотация:

Предмет исследования. Поляризационные характеристики системы наведения квантово-оптических систем для космической лазерной связи. Цель работы. Экспериментальное доказательство преимущества осесимметричных лазерных пучков по сравнению с пучками линейно поляризованного излучения, которые используются в протоколе ВВ84, для космических систем квантовой лазерной связи, вследствие того, что данная структура не зависит от направления лазерного пучка в пространстве между наземным и бортовым лазерными терминалами. Метод. Определение состояния поляризации излучения при различных азимутальных и зенитных углах системы наведения квантово-оптических систем, фиксирующих направление выходящего луча, а также поляризационные потери. Основные результаты. Экспериментально определено состояние поляризации излучения на выходе системы наведения, а также исследованы поляризационные потери. Практическая значимость. Проведенный поляризационный анализ квантово-оптической системы наведения лазерного пучка, который может быть использован для наземной системы космической лазерной связи, показал значительное изменение ориентации плоскости поляризации, в зависимости от направления луча. Поэтому в системах космической лазерной связи целесообразно использовать лазерные пучки с осесимметричной поляризационной структурой. Приведены параметры основных поляризационных элементов для формирования и диагностики таких пучков.

Ключевые слова:

квантово-оптические системы, космическая лазерная связь, интерференционные зеркала, пространственная осесимметричная поляризационная структура

Коды OCIS: 230.5440

Список источников:

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.