Nanosystems: Phys. Chem. Math., 2023, 14 (1), 59–68
Increase of signal to reference ratio for phase compensation in continuous-variable quantum key distribution systems
Fedor M. Goncharov – ITMO University, St. Petersburg, 197101, Russia
Boris E. Pervushin – ITMO University, St. Petersburg, 197101, Russia
Boris A. Nasedkin – ITMO University, St. Petersburg, 197101, Russia
Roman K. Goncharov – ITMO University, St. Petersburg, 197101, Russia; fedor_goncharov@itmo.ru
Daniil A. Yashin – ITMO University, St. Petersburg, 197101, Russia
Mikhail E. Gellert – ITMO University, St. Petersburg, 197101, Russia
Danil V. Sulimov – ITMO University, St. Petersburg, 197101, Russia
Polina A. Morozova – ITMO University, St. Petersburg, 197101, Russia
Ilya M. Filipov – ITMO University, St. Petersburg, 197101, Russia
Iurii A. Adam – ITMO University, St. Petersburg, 197101, Russia
Vladimir V. Chistiakov – ITMO University, St. Petersburg, 197101, Russia
Eduard O. Samsonov – ITMO University, St. Petersburg, 197101, Russia
Vladimir I. Egorov – ITMO University, St. Petersburg, 197101, Russia
Corresponding author: Fedor M. Goncharov, fedor_goncharov@itmo.ru
PACS 03.67.Dd, 42.30.Rx
DOI 10.17586/2220-8054-2023-14-1-59-68
ABSTRACT Continuous variables quantum key distribution (CV-QKD) systems are a promising direction for quantum communications. Coherent detection, which is the basis of CV-QKD, requires taking into consideration and compensating phase distortions. Phase compensation algorithms rely on using reference pulses for phase drift estimation and correcting signal quadratures. The ratio of the number of reference pulses to that of the signal ones, affects the accuracy of the phase compensation algorithm. On the other hand, it influences the secure key rate (SKR). The paper considers the effect of the reference to signal ratio on the SKR, and proposes a modification of the phase compensation algorithm, which allows using a smaller number of references at a pulse repetition frequency close to that of the system phase noise, which results in increasing SKR. We also propose a method for estimating the phase noise in the system for selection of the optimal signal to reference ratio.
KEYWORDS continuous-variable quantum key distribution, quantum communications, phase noise, phase compensation,
algorithm
ACKNOWLEDGEMENTS The work was completed by the Leading Research Center “National Center for Quantum Internet” of ITMO University by order of JSCo Russian Railways. This research was funded by JSCo Russian Railways.
FOR CITATION Goncharov F.M., Pervushin B.E., Nasedkin B.A., Goncharov R.K., Yashin D.A., Gellert M.E., Sulimov D.V., Morozova P.A., Filipov I.M., Adam I.A., Chistiakov V.V., Samsonov E.O., Egorov V.I. Increase of signal to reference ratio for phase compensation in continuous-variable quantum key distribution systems. Nanosystems: Phys. Chem. Math., 2023, 14 (1), 59–68.
[In Russian] Гончаров Ф.М., Первушин Б.Е., Наседкин Б.А., Гончаров Р.К., Яшин Д.А., Геллерт М.Е., Сулимов Д.В., Морозова П.А., Филипов И.М., Адам Ю.А., Чистяков В.В., Самсонов Э.О., Егоров В.И.
Увеличение соотношения сигнальных и опорных импульсов при фазовой компенсации в системах квантового распределения ключа на непрерывных переменных
АННОТАЦИЯ Квантовое распределения ключа на непрерывных переменных (КРК НП) является перспективным направлением развития квантовых коммуникаций. Для протоколов КРК НП применяется когерентное детектирование, которое обуславливает необходимость учета и компенсации фазовых шумов. Алгоритмы фазовой компенсации используют опорные импульсы для определения дрейфа фазы и корректировки сигнальных квадратур. Соотношение числа сигнальных и опорных импульсов влияет на точность проведения фазовой компенсации. С другой стороны, оно также влияет на скорость генерации секретного ключа (СГСК). В настоящей работе рассматривается влияние соотношения сигнальных и опорных импульсов на СГСК, а также предлагается улучшение алгоритма фазовой компенсации, позволяющее использовать меньшую частоту опорных импульсов, близкую к частотам фазового шума системы, что позволяет увеличить СГСК. Кроме того, в работе приводится метод оценки фазового шума системы КРК НП, дающий возможность выбирать оптимальное соотношение сигнальных и опорных импульсов.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА квантовое распределение ключа на непрерывных переменных, квантовые коммуникации, фазовый шум, фазовая компенсация, алгоритм
