Μελέτη και Αξιολόγηση Συστήματος Αντιστάθμισης για Στροφή του Επιπέδου Αναφοράς της Πόλωσης σε Δορυφορική QKD

Abstract

Η Κβαντική Κατανομή Κλειδιού (QKD) αποτελεί μία από τις πιο υποσχόμενες εφαρμογές της κβαντικής πληροφορικής, προσφέροντας θεωρητικά πλήρη ασφάλεια στην ανταλλαγή κλειδιών που στην συνέχεια χρησιμοποιούνται στην κλασσική κρυπτογράφηση. Παρόλο που το SatQKD αποτελεί ρεαλιστική λύση για την υπέρβαση των περιορισμών απόστασης που έχουν μέχρι τώρα οι οπτικές ίνες, η χρήση καναλιών ελεύθερου χώρου εισάγει νέες προκλήσεις. Πιο συγκεκριμένα, μερικές από τις προκλήσεις που προκαλούν παραμόρφωση στην πόλωση είναι η σχετική κίνηση του δορυφόρου με το σταθμό, οι ατμοσφαιρικές επιδράσεις και οι ατέλειες των οπτικών στοιχείων που εν τέλει οδηγούν στην απόκλιση των βάσεων πόλωσης και αύξηση του QBER. Η παρούσα διπλωματική εργασία επικεντρώνεται στη μοντελοποίηση, προσομοίωση και αντιστάθμιση των παραμορφώσεων των βάσεων της πόλωσης σε συστήματα SatQKD. Με χρήση πραγματικών τροχιακών δεδομένων (TLE) και γεωμετρικής μοντελοποίησης της οπτικής διαδρομής, οι μετασχηματισμοί της πόλωσης περιγράφηκαν μέσω πινάκων Jones και Mueller. Η αποσύνθεση Lu–Chipman εφαρμόστηκε για την απομόνωση του πίνακα που είναι υπέυθηνος για την περιστροφή της πόλωσης. Στη συνέχεια, σχεδιάστηκε ένα σύστημα αντιστάθμισης με τρεις κυματοπλάκες (QWP–HWP–QWP) και βελτιστοποιήθηκε μέσω του αλγορίθμου L-BFGS-B, λαμβάνοντας υπόψη ρεαλιστικά σφάλματα γωνιών. Η ανάλυση πραγματοποιήθηκε για τρεις δορυφόρους πάνω από το σταθμό του Χελμού, διάφορα υλικά ανακλαστικών επιστρώσεων (αλουμίνιο, χρυσός, άργυρος) και δύο μήκη κύματος (810 nm και 1500 nm). Η απόδοση του συστήματος αντιστάθμισης αξιολογήθηκε στατιστικά για διαφορετικές τιμές τυπικής απόκλισης με τα αποτελέσματα να δείχνουν ότι η αντιστάθμιση μειώνει σημαντικά το QBER, ενώ ο συνδυασμός υλικού/μήκους κύματος επηρεάζει σημαντικά τα αποτελέσματα του συστήματος. Τα συμπεράσματα της εργασίας παρέχουν χρήσιμες κατευθύνσεις για τον σχεδιασμό μελλοντικών αποστολών SatQKD, αναδεικνύοντας τον ρόλο της αντιστάθμισης πόλωσης στην εξασφάλιση ασφαλών κβαντικών καναλιών επικοινωνίας υπό ρεαλιστικές συνθήκες λειτουργίας.