Simulating loss and solar photon noise in free-space satellite quantum key distribution during twilight stages

Abstract

Die Reduktion von Verlusten und Rauschen in der Freiraum-Satelliten Quantenschlüsselverteilung (Quantum Key Distribution, QKD) ist wesentlich. In dieser Arbeit wird ein Modell entwickelt, um den Einfluss von solaren Photonen und das von ihnen induzierte Rauschen auf die Quantentransmission während Dämmerungsphasen, zu simulieren. Das zur Berechnung der Helligkeit des Himmels in der Dämmerung verwendete Modell ist von einem früheren Ansatz abgeleitet und berücksichtigt nur Einzelstreuungsereignisse sowie Rayleigh-Streuung. Die Anzahl der Photonen für verschiedene Sonnenpositionen wird berechnet und verwendet, um die Schlüsselerzeugungsraten für ein Decoy-State BB84-Protokoll zu berechnen. Kombiniert mit der Simulation des Strahlverbreiterungsverlusts für Freiraum-QKD, können Schätzungen der maximal überwindbaren Transmissionsdistanzen für verschiedene Dämmerungsphasen berechnet werden. Viele Beiträge zu Verlusten und Rauschen wurden vernachlässigt, was zu einer Überschätzung der Schlüsselerzeugungsraten und somit der maximalen Transmissionsdistanzen führt. Die Simulationen liefern jedoch bemerkenswert genaue Ergebnisse, in Anbetracht der gemachten Annahmen und Vereinfachungen. Die Berechnungen bieten daher eine grundlegende Basis für zukünftige Modellverbesserungen, wie die Einbeziehung zusätzlicher Verlustmechanismen, atmosphärischer Turbulenzen und Mehrfachstreuungsereignissen.

The importance of mitigating loss and noise in free-space satellite quantum key distribution (QKD) is significant. This thesis develops a model to simulate the impact of solar photon noise on the quantum transmission during twilight stages and their impact on achievable key rates. The model used to calculate twilight sky brightness is adapted from a previous approach, considering only single-scattering events and Rayleigh scattering. The number of photons for various angular positions of the sun is determined and utilized to calculate key generation rates for a decoy-state BB84protocol. Combined with the simulations of beam spread loss for free-space QKD, estimations of maximum link distances for different twilight stages can be obtained. Many contributions to loss and noise were neglected, leading to an overestimation of the key generation rates and, thus, maximum link distances. The simulations, however, yield remarkably accurate results, considering the approximations and assumptions made. Therefore, the calculations provide a foundational basis for future model improvements, such as including additional loss mechanisms, atmospheric turbulence and multiple-scattering events.