Registration Number
0826U001908, PhD dissertation
Status
Доктор філософії
Date
13-07-2026
popup.evolution
o
Title
Statistical models and temporal coherence of quantum light in the turbulent atmosphere
Author
Mykyta D. Klen,
popup.head Andrii A. Semenov
popup.opponent Leonid P. Yatsenko
popup.opponent Paolo Villoresi
popup.opponent Giacomo Sorelli
popup.review Yaroslav O. Zolotariuk
popup.rada
М.М.Bogolyubov Institute of Theoretical Physics of the National Academy of Sciences of Ukraine
Description
Волоконно-оптичні канали лежать в основі локальних квантових мереж, проте вільний простір пропонує альтернативу для бездротового зв’язку між наземними станціями та авіаційними платформами. На відміну від стаціонарних середовищ, атмосферні канали піддаються впливу турбулентності, що викликає стохастичні флуктуації показника заломлення і відповідні деформації форми променя, блукання променя навколо осі поширення та сцинтиляції. Вплив турбулентності на квантовий стан світла у квазімонохроматичній моді визначається ефективністю проходження — відношенням інтенсивності, яка потрапила в апертуру приймача, до загальної інтенсивності променя. Тому розподіл імовірності ефективності проходження (РІЕП) є ключовим для характеристики каналів. Попри це, у науковій літературі залишаються невирішені питання: відсутність критеріїв вибору моделей РІЕП та ігнорування часових кореляцій при розповсюдженні крізь турбулентну атмосферу.
У цьому дослідженні визначено межі застосовності існуючих моделей шляхом порівняння їхніх прогнозів з чисельними симуляціями на базі методу фазових екранів із розрідженим спектром, оцінюючи точність за допомогою статистики Колмогорова-Смирнова. Моделювання в режимах від слабкої до сильної турбулентності показало, що інтенсивність турбулентності визначає лише дисперсію РІЕП, не змінюючи суттєво її форму. Натомість асиметрія розподілу сильно залежить від розміру апертури: малі апертури дають позитивну асиметрію, тоді як великі апертури зміщують хвіст у бік нижчих значень (негативна асиметрія). Більшість аналітичних моделей не здатні відтворити цей перехід. Валідація припущень, на яких ґрунтуються аналітичні моделі, виявила, що зміщення центру променя залежить від деформації його форми, а розподіл логарифмів півосей не є гауссовим. Ми також виявили систематичну похибку специфікації моделі, яка є наслідком припущення про ідеалізовану кругову або еліптичну форму променя, що не здатна повністю відтворити його складні деформації. Це спрощення систематично зміщує передбачувані статистичні моди та середні значення РІЕП. Для усунення цієї проблеми запроваджено метод узгодження моментів ефективності проходження, який перепараметризовує фізично обґрунтовані моделі через перші моменти ефективності проходження. Застосування цієї техніки до моделі кругового променя значно покращує статистику Колмогорова-Смирнова порівняно з іншими підходами. Емпірична модель на базі бета-розподілу демонструє найвищу узгодженість із даними у більшості режимів, оскільки вона краще враховує варіації асиметрії, зумовлені розміром апертури.
Виходячи за межі статичних описів, розроблено концепцію двочасового РІЕП, що характеризує спільні розподіли ефективності проходження як функцію часового інтервалу між імпульсами з урахуванням гіпотези замороженої турбулентності Тейлора. Введено усереднений за апертурою радіус просторової когерентності, що кількісно визначає зсув вітру, при якому кореляції спадають до exp(−1). Цей радіус можна апроксимувати лінійною залежністю від розміру апертури приймача. На основі цієї формалізації оцінено стійкість квантової заплутаності та некласичності: хоча заплутаність між імпульсами зберігається протягом десятків мілісекунд, ефективність квантової пам’яті обмежує практичне використання дискретних змінних кількома мілісекундами. Протоколи адаптивної селекції з яскравими класичними імпульсами дозволяють зберігати некласичність у подібних часових вікнах, що обґрунтовує доцільність часового кодування в мережах вільного простору.
Підсумовуючи, робота усуває неоднозначності в описі атмосферних квантових каналів, встановивши розмір апертури приймача як визначальний параметр для вибору моделі. Серед фізично обґрунтованих моделей круговий промень із узгодженням моментів демонструє найкращу точність, хоча потребує чисельного інтегрування. Серед усіх моделей, емпірична бета-модель є оптимальним практичним рішенням завдяки аналітичного виразу в замкнутій формі та параметризації лише двома першими моментами, ефективно враховуючи випадкову природу каналу. Хоча атмосферні канали забезпечують значні часові вікна для протоколів, повне розкриття потенціалу заплутаних станів вимагає подолання технологічних бар’єрів у зберіганні квантової інформації.
Registration Date
2026-05-25
popup.nrat_date
2026-06-02 / 2026-08-21
