Nanosystems: Phys. Chem. Math., 2022, 13 (4), 392–403
Comparison of Gaussian and vortex beams in free-space QKD with phase encoding in turbulent atmosphere
Iurii A. Adam – ITMO University, St. Petersburg, 197101, Russia; adam_yura@mail.ru
Daniil A. Yashin – ITMO University, St. Petersburg, 197101, Russia; dayashin@itmo.ru
Daria A. Kargina – ITMO University, St. Petersburg, 197101, Russia; dakargina17@gmail.com
Boris A. Nasedkin – ITMO University, St. Petersburg, 197101, Russia; b.nasedkin@bk.ru
Corresponding author: Iurii A. Adam, adam_yura@mail.ru
DOI 10.17586/2220-8054-2022-13-4-392-403
PACS 03.67.Dd, 42.25.Dd
ABSTRACT At present, free-space QKD systems are being actively researched and developed. The main limitation of these systems remains the strong influence of atmospheric turbulence and weather conditions on the propagating Gaussian beam. In turn, a number of works have shown that vortex beams are more stable in a turbulent atmosphere. Thus, in this work, the use of vortex beams in the free-space QKD system with phase encoding under the condition of a turbulent atmosphere and their comparison with Gaussian beams are studied. The possibility of phase modulation preservation with additional modulation and demodulation of the vortex beam is also investigated.
KEYWORDS quantum key distribution, vortex beam, atmospheric turbulence, free-space, phase encoding, fork-grating.
ACKNOWLEDGEMENTS The study is funded by RPMA grant of School of Physics and Engineering of ITMO University. The authors of this work express their gratitude to Aleksey Viktorovich Chernykh from ITMO University for his support and discussions during the experiment, to Artur Mukhamadiev for his help with illustrationpreparation and to the Centre for Reprography at the Russian National Library for the production of the forkgratings.
FOR CITATION Adam I.A., Yashin D.A., Kargina D.A., Nasedkin B.A. Comparison of Gaussian and vortex beams in free-space QKD with phase encoding in turbulent atmosphere. Nanosystems: Phys. Chem. Math., 2022, 13 (4), 392–403.
[In Russian] И.А. Адам, Д.А. Яшин, Д.А. Каргина, Б.А. Наседкина
Сравнение гауссова и вихревого пучков в системах КРК с фазовым кодированием в открытом пространстве в условиях турбулентной атмосферы
АННОТАЦИЯ В настоящее время системы КРК в открытом пространстве активно исследуются и разрабатываются. Основным ограничением для таких систем остается сильное влияние атмосферной турбулентности и погодных условий на распространяющийся гауссов пучок. В свою очередь, в ряде работ показано, что вихревые пучки являются более устойчивыми в турбулентной атмосфере. Таким образом, в данной работе исследуется использование вихревых пучков в системах КРК с фазовым кодированием в открытом пространстве в условиях турбулентной атмосферы и их сравнение с гауссовыми пучками. Также исследуется возможность сохранения фазовой модуляции при дополнительной модуляции и демодуляции вихревого пучка.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА квантовое распределение ключа, вихревой пучок, атмосферная турбулентность, фазовое кодирование, вилкообразная дифракционная решетка.
