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Sekga C, Mafu M, Senekane M. High-dimensional quantum key distribution implemented with biphotons. Sci Rep 2023; 13:1229. [PMID: 36681718 PMCID: PMC9867750 DOI: 10.1038/s41598-023-28382-w] [Citation(s) in RCA: 0] [Impact Index Per Article: 0] [Reference Citation Analysis] [Abstract] [Key Words] [Track Full Text] [Figures] [Journal Information] [Subscribe] [Scholar Register] [Received: 08/09/2022] [Accepted: 01/18/2023] [Indexed: 01/22/2023] Open
Abstract
We present a high-dimensional measurement device-independent (MDI) quantum key distribution (QKD) protocol employing biphotons to encode information. We exploit the biphotons as qutrits to improve the tolerance to error rate. Qutrits have a larger quantum system; hence they carry more bits of classical information and have improved robustness against eavesdropping compared to qubits. Notably, our proposed protocol is independent of measurement devices, thus eliminating the possibility of side-channel attacks. Also, we employ the finite key analysis approach to study the performance of our proposed protocol under realistic conditions where finite resources are used. Furthermore, we simulated the secret key rate for the proposed protocol in terms of the transmission distance for different fixed amounts of signals. The results prove that this protocol achieves a considerable secret key rate for a moderate transmission distance of 90 km by using [Formula: see text] signals. Moreover, the expected secret key rate was simulated to examine our protocol's performance at various intrinsic error rate values, [Formula: see text] caused by misalignment and instability due to the optical system. These results show that reasonable key rates are achieved with a minimum data size of about [Formula: see text] signals which are realizable with the current technology. Thus, implementing MDI-QKD using finite resources while allowing intrinsic errors due to the optical system makes a giant step forward toward realizing practical QKD implementations.
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Affiliation(s)
- Comfort Sekga
- grid.448573.90000 0004 1785 2090Department of Physics and Astronomy, Botswana International University of Science and Technology, P/Bag 16, Palapye, Botswana
| | - Mhlambululi Mafu
- Department of Physics, Case Western Reserve University, Cleveland, OH, 44106, USA.
| | - Makhamisa Senekane
- grid.412988.e0000 0001 0109 131XInstitute for Intelligent Systems, University of Johannesburg, Johannesburg, 2006 South Africa ,National Institute for Theoretical and Computational Sciences, Gauteng, 2006 South Africa
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Cammarata S, Fontana A, Kaplan AE, Cornia S, Dao TH, Lacava C, Demontis V, Iadanza S, Vitali V, De Matteis F, Pedreschi E, Magazzù G, Toncelli A, Spinella F, Saponara S, Gunnella R, Rossella F, Salamon A, Bellani V. Polarization Control in Integrated Graphene-Silicon Quantum Photonics Waveguides. MATERIALS (BASEL, SWITZERLAND) 2022; 15:8739. [PMID: 36556545 PMCID: PMC9786119 DOI: 10.3390/ma15248739] [Citation(s) in RCA: 0] [Impact Index Per Article: 0] [Reference Citation Analysis] [Abstract] [Key Words] [Track Full Text] [Figures] [Subscribe] [Scholar Register] [Received: 11/11/2022] [Revised: 11/29/2022] [Accepted: 12/02/2022] [Indexed: 06/17/2023]
Abstract
We numerically investigated the use of graphene nanoribbons placed on top of silicon-on-insulator (SOI) strip waveguides for light polarization control in silicon photonic-integrated waveguides. We found that two factors mainly affected the polarization control: the graphene chemical potential and the geometrical parameters of the waveguide, such as the waveguide and nanoribbon widths and distance. We show that the graphene chemical potential influences both TE and TM polarizations almost in the same way, while the waveguide width tapering enables both TE-pass and TM-pass polarizing functionalities. Overall, by increasing the oxide spacer thickness between the silicon waveguide and the top graphene layer, the device insertion losses can be reduced, while preserving a high polarization extinction ratio.
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Affiliation(s)
- Simone Cammarata
- Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) Sezione di Pisa, 56127 Pisa, Italy
- Dipartimento di Ingegneria dell’Informazione, Università di Pisa, 56122 Pisa, Italy
| | - Andrea Fontana
- Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) Sezione di Pavia, 27100 Pavia, Italy
| | - Ali Emre Kaplan
- Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) Sezione di Pavia, 27100 Pavia, Italy
- Dipartimento di Ingegneria Industriale e dell’Informazione, Università di Pavia, 27100 Pavia, Italy
| | - Samuele Cornia
- Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) Sezione di Pavia, 27100 Pavia, Italy
- Dipartimento di Scienze Fisiche, Informatiche e Matematiche, Università di Modena e Reggio Emilia, 41125 Modena, Italy
| | - Thu Ha Dao
- Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) Sezione di Roma Tor Vergata, 00133 Roma, Italy
- Dipartimento di Ingegneria Industriale, Università di Roma Tor Vergata, 00133 Roma, Italy
| | - Cosimo Lacava
- Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) Sezione di Pavia, 27100 Pavia, Italy
- Dipartimento di Ingegneria Industriale e dell’Informazione, Università di Pavia, 27100 Pavia, Italy
| | - Valeria Demontis
- Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) Sezione di Pavia, 27100 Pavia, Italy
- NEST, Scuola Normale Superiore, Istituto Nanoscienze-CNR, 56127 Pisa, Italy
| | - Simone Iadanza
- Centre for Advanced Photonics and Process Analysis, Munster Technological University, Tyndall National Institute, T12 P928 Cork, Ireland
| | - Valerio Vitali
- Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) Sezione di Pavia, 27100 Pavia, Italy
- Optoelectronics Research Center (ORC), University of Southampton, Southampton SO17 1BJ, UK
| | - Fabio De Matteis
- Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) Sezione di Roma Tor Vergata, 00133 Roma, Italy
- Dipartimento di Ingegneria Industriale, Università di Roma Tor Vergata, 00133 Roma, Italy
| | - Elena Pedreschi
- Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) Sezione di Pisa, 56127 Pisa, Italy
| | - Guido Magazzù
- Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) Sezione di Pisa, 56127 Pisa, Italy
| | - Alessandra Toncelli
- Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) Sezione di Pisa, 56127 Pisa, Italy
- Dipartimento di Fisica, Università di Pisa, 56127 Pisa, Italy
| | - Franco Spinella
- Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) Sezione di Pisa, 56127 Pisa, Italy
| | - Sergio Saponara
- Dipartimento di Ingegneria dell’Informazione, Università di Pisa, 56122 Pisa, Italy
| | - Roberto Gunnella
- Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) Sezione di Perugia, 06123 Perugia, Italy
- Scuola di Scienze e Tecnologie, Università di Camerino, 62032 Camerino, Italy
| | - Francesco Rossella
- Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) Sezione di Pavia, 27100 Pavia, Italy
- Dipartimento di Scienze Fisiche, Informatiche e Matematiche, Università di Modena e Reggio Emilia, 41125 Modena, Italy
| | - Andrea Salamon
- Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) Sezione di Roma Tor Vergata, 00133 Roma, Italy
| | - Vittorio Bellani
- Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) Sezione di Pavia, 27100 Pavia, Italy
- Dipartimento di Fisica, Università di Pavia, 27100 Pavia, Italy
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