Progress Towards High Dimensional Quantum Communications in Turbulent Free-Space Channels
The presentation will be in English / La présentation sera en anglais.
Progress Towards High Dimensional Quantum Communications in Turbulent Free-Space Channels
Abstract:
Quantum key distribution (QKD) enables information-theoretically secure communication, guaranteed by the fundamental principles of quantum mechanics. By leveraging quantum properties of single particles, most often photons, QKD allows two parties to establish a shared secret key with provable resistance against both classical and quantum eavesdroppers. While most communication today is done in a binary scheme using 1s and 0s, by pushing beyond 2 dimensions with high-dimensional (HD) QKD protocols, more than one bit of information can be encoded per photon. Additionally, secure quantum communications can be done even in noisy channels where 2-dimensional QKD would be impossible. Free-space channels, where the spatial degree of freedom of photons is available for encoding, like ground-satellite links and ground-ground links are clear candidates for the implementation of HD QKD. Free-space channels on Earth, despite the name, are not actually free due to fluctuations in the atmosphere called turbulence. We investigate the challenges and benefits of using spatial modes of light, in particular the Orbital Angular Momentum (OAM) of photons to make HD QKD realisable in turbulent free-space channels.
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Progrès vers des communications quantiques de haute dimension dans des canaux turbulents en espace libre
Résumé:
La distribution quantique de clés (QKD) permet une communication théoriquement sécurisée, garantie par les principes fondamentaux de la mécanique quantique. En exploitant les propriétés quantiques de particules uniques, le plus souvent des photons, la QKD permet à deux parties d'établir une clé secrète partagée avec une résistance démontrable aux écoutes électroniques classiques et quantiques. Alors que la plupart des communications actuelles se font selon un schéma binaire utilisant des 1 et des 0, en dépassant les deux dimensions avec les protocoles QKD haute dimension (HD), plus d'un bit d'information peut être codé par photon. De plus, des communications quantiques sécurisées peuvent être réalisées même dans des canaux bruyants où la QKD bidimensionnelle serait impossible. Les canaux en espace libre, où le degré de liberté spatial des photons est disponible pour le codage, comme les liaisons sol-satellite et sol-sol, sont des candidats évidents pour la mise en œuvre de la QKD HD. Les canaux en espace libre sur Terre, malgré leur nom, ne sont pas réellement libres en raison des fluctuations de l'atmosphère appelées turbulences. Nous étudions les défis et les avantages de l'utilisation des modes spatiaux de lumière, en particulier le moment angulaire orbital (OAM) des photons pour rendre le HD QKD réalisable dans des canaux turbulents en espace libre.
Lukas Scarfe (PhD candidate at the University of Ottawa)
About / A propos
The High Throughput and Secure Networks (HTSN) Challenge program is hosting regular virtual seminar series to promote scientific information sharing, discussions, and interactions between researchers.
Le programme Réseaux Sécurisés à Haut Débit (RSHD) organise régulièrement des séries de séminaires virtuels pour promouvoir le partage d’informations scientifiques, les discussions et les interactions entre chercheurs.
NEW: In order to promote more open discussions/interactions, at the end of the presentation and Q/A, we will allow other experts in this field (quantum comm) to present very briefly their work (1 slide, 2 min max) or their company.
Date and Time
Location
Hosts
Registration
- Date: 17 Jun 2025
- Time: 06:00 PM UTC to 07:00 PM UTC
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- Contact Event Hosts
- Co-sponsored by National Research Council, Canada. Optonique.
- Starts 07 June 2025 09:00 PM UTC
- Ends 17 June 2025 04:00 PM UTC
- No Admission Charge
Speakers
Lukas Scarfe of University of Ottawa
Progress Towards High Dimensional Quantum Communications in Turbulent Free-Space Channels
Abstract: Quantum key distribution (QKD) enables information-theoretically secure communication, guaranteed by the fundamental principles of quantum mechanics. By leveraging quantum properties of single particles, most often photons, QKD allows two parties to establish a shared secret key with provable resistance against both classical and quantum eavesdroppers. While most communication today is done in a binary scheme using 1s and 0s, by pushing beyond 2 dimensions with high-dimensional (HD) QKD protocols, more than one bit of information can be encoded per photon. Additionally, secure quantum communications can be done even in noisy channels where 2-dimensional QKD would be impossible. Free-space channels, where the spatial degree of freedom of photons is available for encoding, like ground-satellite links and ground-ground links are clear candidates for the implementation of HD QKD. Free-space channels on Earth, despite the name, are not actually free due to fluctuations in the atmosphere called turbulence. We investigate the challenges and benefits of using spatial modes of light, in particular the Orbital Angular Momentum (OAM) of photons to make HD QKD realisable in turbulent free-space channels.
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Résumé : La distribution quantique de clés (QKD) permet une communication théoriquement sécurisée, garantie par les principes fondamentaux de la mécanique quantique. En exploitant les propriétés quantiques de particules uniques, le plus souvent des photons, la QKD permet à deux parties d'établir une clé secrète partagée avec une résistance démontrable aux écoutes électroniques classiques et quantiques. Alors que la plupart des communications actuelles se font selon un schéma binaire utilisant des 1 et des 0, en dépassant les deux dimensions avec les protocoles QKD haute dimension (HD), plus d'un bit d'information peut être codé par photon. De plus, des communications quantiques sécurisées peuvent être réalisées même dans des canaux bruyants où la QKD bidimensionnelle serait impossible. Les canaux en espace libre, où le degré de liberté spatial des photons est disponible pour le codage, comme les liaisons sol-satellite et sol-sol, sont des candidats évidents pour la mise en œuvre de la QKD HD. Les canaux en espace libre sur Terre, malgré leur nom, ne sont pas réellement libres en raison des fluctuations de l'atmosphère appelées turbulences. Nous étudions les défis et les avantages de l'utilisation des modes spatiaux de lumière, en particulier le moment angulaire orbital (OAM) des photons pour rendre le HD QKD réalisable dans des canaux turbulents en espace libre.
Biography:
Lukas Scarfe is a PhD candidate at the University of Ottawa working in the Structured Quantum Optics group of Dr. Ebrahim Karimi. He received his MSc. in Physics from the University of Ottawa under Dr. Karimi, and his B. Eng in Engineering Physics from McMaster University. His overall research goal is focused on bringing quantum key distribution nearer to real-world implementation. Outside of his research, he spends time training for long-distance runs and takes care of (probably too many) tropical plants.
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Lukas Scarfe est doctorant à l'Université d'Ottawa et travaille au sein du groupe d'optique quantique structurée du Dr Ebrahim Karimi. Il a obtenu sa maîtrise en physique à l'Université d'Ottawa sous la direction du Dr Karimi et son baccalauréat en génie physique à l'Université McMaster. Son objectif principal de recherche est de rapprocher la distribution quantique de clés de la mise en œuvre concrète. En dehors de ses recherches, il s'entraîne pour des courses de fond et prend soin de plantes tropicales (probablement trop nombreuses).
Due to limited spaces onlines, registered IEEE members will get priority to access the webinar. / En raison du nombre limité de places en ligne, les membres de l'IEEE inscrits seront prioritaires pour accéder au webinaire.