[论文解读] Performance Analysis of Satellite-Based QKD Protocols Using the Circular Beam Model

Muskan Muskan, Ramniwas Meena+1 more|arXiv (Cornell University)|Aug 2, 2023

Quantum Computing Algorithms and Architecture被引用 6

一句话总结

本文通过圆形光束模型，分析了在不同大气损耗条件下基于卫星的QKD协议（BB84、B92、BBM92和E91）的性能，重点关注量子误码率（QBER）和安全密钥率。研究发现，协议效率随天顶角动态变化：在高天顶角下，B92因QBER更低而优于BB84；类似地，E91在相同条件下也优于BBM92。这表明在低地球轨道（LEO）上行和下行链路场景中，协议选择需根据具体环境条件进行权衡。

ABSTRACT

Satellite-based free-space quantum key distribution (QKD) provides a practical framework for achieving secure global communication beyond the limitations of optical fibers. In this work, the quantum bit error rate (QBER) and secure key rate of four representative protocols-BB84, B92, BBM92, and E91 are investigated over low earth orbit (LEO) links in both uplink and downlink configurations. A circular beam transmittance model is employed, incorporating the effects of diffraction, pointing errors, atmospheric turbulence, and background photons. The protocols are examined under day and night-time operating conditions, and their dependence on the zenith angle is analyzed. The findings show that downlink links generally exhibit lower QBER and higher secure key rates than uplinks, and among prepare-and-measure schemes, BB84 consistently outperforms B92, while in entanglement-based approaches, BBM92 achieves higher key rates than E91.

研究动机与目标

• 评估大气透过率对卫星到地面及地面到卫星链路中QKD性能的影响。
• 在不同天顶角下，比较BB84、B92、BBM92和E91协议的QBER和密钥率性能。
• 分析散射、湍流和背景噪声引起的损耗对自由空间量子通信中QKD度量的影响。
• 为低地球轨道（LEO）卫星QKD中的操作条件提供一种协议选择的比较框架。

提出的方法

• 将大气透过率建模为上行链路（地面到卫星）和下行链路（卫星到地面）场景下天顶角的函数。
• 应用圆形光束模型，估算自由空间量子信道中的几何损耗、散射损耗和湍流引起的损耗。
• 在理想单光子和弱相干光源假设下，推导QBER和安全密钥率的理论表达式。
• 将环境噪声（尤其是杂散计数）纳入QBER计算，以实现对实际性能的评估。
• 通过数值模拟，评估所有四种协议在不同天顶角（0°至80°）下的QBER和密钥率。
• 比较白天/夜间下行链路和夜间上行链路条件下的协议性能，特别关注背景光的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 在上行链路和下行链路卫星QKD场景中，大气透过率如何随天顶角变化？
• RQ2 BB84和B92协议在不同天顶角下的QBER和密钥率表现如何比较？
• RQ3 在不同大气损耗和天顶角条件下，BBM92和E91纠缠态协议的QBER和密钥率表现如何比较？
• RQ4 QKD协议的性能排名在哪个天顶角发生转变？这种转变的原因是什么？
• RQ5 白天/夜间条件及背景光如何影响上行链路和下行链路卫星QKD中的QBER和密钥率？

主要发现

• 在低天顶角（0°–70°）下，BB84的密钥率高于B92，证实其在低损耗条件下效率更优。
• 在天顶角超过70°时，B92的QBER低于BB84，表明B92在高损耗、高湍流场景下更具安全性和优势。
• 对于纠缠协议，BBM92在低天顶角下初始密钥率高于E91，但随着大气损耗增加，该优势逐渐减弱。
• 在天顶角70°–80°范围内，E91的QBER显著低于BBM92，使其在高大气损耗下更具鲁棒性。
• 上行链路场景的QBER始终高于下行链路，密钥率更低，这是由于大气湍流和背景光增强所致，尤其在夜间更为明显。
• 由于白天背景光过强导致QBER过高，白天上行链路被排除在QBER分析之外。