najoNanosystems: Physics, Chemistry, MathematicsНаносистемы: физика, химия, математика2220-80542305-7971Университет ИТМО10.17586/2220-8054-2024-15-5-654-657najo-120Research ArticlePHYSICSФИЗИКАHybrid quantum communication protocol for fiber and atmosphere channelГибридный протокол квантовой коммуникации для оптоволоконного и атмосферного каналаhttps://orcid.org/0000-0003-2990-249XЛатыповИ. З.LatypovIlnur Z.

Латыпов Ильнур Зиннурович

Ilnur Z. Latypov

ul. Lobachevskogo, 2/31, POB 261, Kazan, 420111

bibidey@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-2414-3490ЧистяковВ. В.ChistyakovVladimir V.

Чистяков Владимир Викторович

Vladimir V. Chistyakov

49, St. Petersburg, 197101;  6 Line, 59, St. Petersburg, 199178

v_chistyakov@itmo.ruhttps://orcid.org/0000-0003-4290-4852ФадеевМ. А.FadeevMaxim A.

Фадеев Максим Алексеевич

Maxim A. Fadeev

49, St. Petersburg, 197101; Skolkovo, Moscow 121205

wertsam@itmo.ruhttps://orcid.org/0000-0002-7964-0697СулимовД. В.SulimovDanil V.

Сулимов Данил Васильевич

Danil V. Sulimov

Kronverkskiy, 49, St. Petersburg, 197101

dvsulimov@itmo.ruХалтуринскийА. К.KhalturinskyAlexey K.

Халтуринский Алексей Константинович

Alexey K. Khalturinsky

6 Line, 59, St. Petersburg, 199178

a.halturinsky@quanttelecom.ruhttps://orcid.org/0000-0001-8698-1804КыневС. М.KynevSergey M.

Кынев Сергей Михайлович

Sergey M. Kynev

49, St. Petersburg, 197101; 6 Line, 59, St. Petersburg, 199178

sergey.kynev@itmo.ruhttps://orcid.org/0000-0003-0767-0261ЕгоровВ. И.EgorovVladimir I.

Егоров Владимир Ильич

Vladimir I. Egorov

6 Line, 59, St. Petersburg, 199178

viegorov@itmo.ruFRC Kazan Scientific Center of the Russian Academy of SciencesRussian FederationITMO University; Quanttelecom LLC.Russian FederationITMO University; Russian Quantum CenterRussian FederationITMO UniversityRussian FederationQuanttelecom LLC.Russian Federation202403062025155654657Copyright © Latypov I.Z., Chistyakov V.V., Fadeev M.A., Sulimov D.V., Khalturinsky A.K., Kynev S.M., Egorov V.I., 20252025Латыпов И.З., Чистяков В.В., Фадеев М.А., Сулимов Д.В., Халтуринский А.К., Кынев С.М., Егоров В.И.Latypov I.Z., Chistyakov V.V., Fadeev M.A., Sulimov D.V., Khalturinsky A.K., Kynev S.M., Egorov V.I.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://nanojournal.ifmo.ru/jour/article/view/120

In this paper, we explore a hybrid quantum communication protocol that operates concurrently over fiber optic and atmospheric channels. This new protocol addresses challenges in urban settings where laying optical fiber may be impractical or costly. By integrating the subcarrier wave (SCW) quantum key distribution (QKD) with phase coding, our approach enhances the flexibility and reliability of quantum communication systems. We have developed and tested an atmospheric optical module equipped with an auto-tuning system to ensure precise optical axis alignment, crucial for minimizing signal loss in turbulent environments. Experimental results demonstrate stable sifted key rates and low quantum bit error rate (QBER) across various channel lengths, confirming the efficacy of our hybrid protocol in securing communication over diverse transmission environments.

В этой статье мы исследуем гибридный протокол квантовой коммуникации, который работает одновременно по оптоволоконным и атмосферным каналам. Этот новый протокол решает проблемы в городских условиях, где прокладка оптического волокна может быть непрактичной или дорогостоящей. Интегрируя квантовое распределение ключей (КРК) на боковых частотах с фазовым кодированием, наш подход повышает гибкость и надежность систем квантовой коммуникации. Мы разработали и протестировали атмосферный оптический модуль, оснащенный системой автоматической настройки для обеспечения точного выравнивания оптической оси, что крайне важно для минимизации потерь сигнала в турбулентной среде.

Экспериментальные результаты демонстрируют стабильную скорость передачи просеянного ключа и низкий коэффициент квантовых битовых ошибок (QBER) при различной длине канала, подтверждая эффективность нашего гибридного протокола для обеспечения безопасности связи в различных средах передачи.

 

атмосферная оптикаквантовые коммуникацииквантовое распределение ключейатмосферный каналfree-space opticsquantum communicationquantum key distributionatmosphere channelReferencesHonjo T., Nam S.W., Takesue H., Zhang Y., Hadfield R.H., Dardy H.H., and Yamamoto Y. Long-distance entanglement-based quantum key distribution over optical fiber. Optics Express, 2008, 16(23), P. 19118–19126.Honjo T., Nam S.W., Takesue H., Zhang Y., Hadfield R.H., Dardy H.H., and Yamamoto Y. Long-distance entanglement-based quantum key distribution over optical fiber. Optics Express, 2008, 16(23), P. 19118–19126.Rosenberg D., Harrington J.W., Rice P.R., Hiskett P.A., Peterson C.G., Hughes R.J., Lita A.E., Nam S.W., and Nordholt J.E. Long-distance decoy-state quantum key distribution in optical fiber. Physical Review Letters, 2007, 98(1), P. 010503.Rosenberg D., Harrington J.W., Rice P.R., Hiskett P.A., Peterson C.G., Hughes R.J., Lita A.E., Nam S.W., and Nordholt J.E. Long-distance decoy-state quantum key distribution in optical fiber. Physical Review Letters, 2007, 98(1), P. 010503.Cao Y., Li Z., Zhang W., You Z., Zhang X., Wang Z., Huang C., Li H.W., and Guo G.C. Long-distance free-space measurement-device-independent quantum key distribution. Physical Review Letters, 2020, 125(26), P. 260503.Cao Y., Li Z., Zhang W., You Z., Zhang X., Wang Z., Huang C., Li H.W., and Guo G.C. Long-distance free-space measurement-device-independent quantum key distribution. Physical Review Letters, 2020, 125(26), P. 260503.Pirandola S. Limits and security of free-space quantum communications. Physical Review Research, 2021, 3(1), P. 013279.Pirandola S. Limits and security of free-space quantum communications. Physical Review Research, 2021, 3(1), P. 013279.Schmitt-Manderbach T., Weier H., Fuurst M., Ursin R., Tiefenbacher F., Scheidl T., Perdigues J., Sodnik Z., Kurtsiefer C., and Weinfurter H. Experimental demonstration of free-space decoy-state quantum key distribution over 144 km. Physical Review Letters, 2007, 98(1), P. 010504.Schmitt-Manderbach T., Weier H., Fuurst M., Ursin R., Tiefenbacher F., Scheidl T., Perdigues J., Sodnik Z., Kurtsiefer C., and Weinfurter H. Experimental demonstration of free-space decoy-state quantum key distribution over 144 km. Physical Review Letters, 2007, 98(1), P. 010504.Cao Y., Zhang Z., Xu B., You L., Wang Z., and Li H. W. The evolution of quantum key distribution networks: On the road to the qinternet. IEEE Communications Surveys & Tutorials, 2022, 24(2), P. 839–894.Cao Y., Zhang Z., Xu B., You L., Wang Z., and Li H. W. The evolution of quantum key distribution networks: On the road to the qinternet. IEEE Communications Surveys & Tutorials, 2022, 24(2), P. 839–894.Techateerawat P. Simulating Network Management System for Quantum Key Distribution based on rural and remote broadband in Thailand. PBRU Science Journal, 2023, 20(1), P. 97–110.Techateerawat P. Simulating Network Management System for Quantum Key Distribution based on rural and remote broadband in Thailand. PBRU Science Journal, 2023, 20(1), P. 97–110.Kynev S.M., Chistyakov V.V., Fadeev M.A., and Latypov I.Z. Free-space subcarrier wave quantum communication. Journal of Physics: Conference Series. IOP Publishing, 2017, 917(5), P. 052003.Kynev S.M., Chistyakov V.V., Fadeev M.A., and Latypov I.Z. Free-space subcarrier wave quantum communication. Journal of Physics: Conference Series. IOP Publishing, 2017, 917(5), P. 052003.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.