PERFORMANCE ANALYSIS OF QUANTUM KEY DISTRIBUTION IN UNDERWATER CHANNELS
Başlık çevirisi mevcut değil.
- Tez No: 696440
- Danışmanlar: PROF. DR. MURAT UYSAL
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2021
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Özyeğin Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 87
Özet
Kuantum anahtar dağıtımı (QKD) hakkındaki mevcut literatür, esas olarak fiber optik, atmosferik veya uydu bağlantıları üzerinden yapılan aktarımlarla sınırlıdır ve farklı kanal özelliklerine sahip su altı ortamlarına doğrudan uygulanamaz. Sualtı kanallarında yaşanan absorpsiyon, saçılma ve türbülans, kuantum iletişim bağlantılarının aralığını ciddi şekilde sınırlar. Bu tezin ilk bölümünde, iyi bilinen BB84 protokolünün sualtı kanallarında kuantum bit hata oranı (QBER) ve gizli anahtar oranı (SKR) performansını analiz ediyoruz. Yol kaybı modeli olarak, saçılma etkisini hesaba katan Beer-Lambert formülünün değiştirilmiş bir versiyonunu ele alıyoruz. Türbülanslı su altı yolu üzerindeki ortalama güç transferini belirlemek için dalga yapısı fonksiyonu için kapalı biçimli bir ifade türetiyoruz ve bunu QBER'de bir üst sınır ve SKR'de bir alt sınır elde etmek için kullanıyoruz. Elde edilen sınırlara dayanarak, BB84 protokolünün berrak, kıyı ve bulanık su dahil farklı su türlerinde ve berrak, puslu ve bulutlu gibi farklı atmosferik koşullar altında performansını sunuyoruz. Açıklık boyutu ve dedektör görüş alanı gibi sistem parametrelerinin QBER ve SKR performans ölçütleri üzerindeki etkisini ayrıca araştırıyoruz. Bu tezin ikinci bölümünde, menzil sınırlamalarının üstesinden gelmek için potansiyel bir çözüm olarak, kaynak ve hedef düğümler arasındaki ara düğümlerin anahtar dağıtımına yardımcı olduğu çok atlamalı bir sualtı QKD'sini araştırıyoruz. Kübitleri herhangi bir ölçüm yapmadan bir sonraki röle düğümüne veya alıcıya yönlendiren pasif rölelerin konuşlandırılmasını düşünüyoruz. Yakın alan analizine dayanarak, farklı su türleri ve türbülans koşullarında kuantum bit hata oranı ve gizli anahtar oranı açısından röle destekli QKD şemasının performansını sunuyoruz. Açıklık boyutu ve dedektör görüş alanı gibi sistem parametrelerinin performans üzerindeki etkisini ayrıca araştırıyoruz. Sonuçlarımız, röle destekli QKD'nin hangi koşullar altında faydalı olabileceğini ve çok sekmeli bir sualtı QKD sistemi ile hangi uçtan uca iletim mesafelerinin desteklenebileceğini göstermektedir. Bu tezin son bölümünde, çalkantılı su altı kanalları üzerinde yem BB84 protokolünün temel performans sınırlarını araştırıyoruz ve kapsamlı bir performans karakterizasyonu sağlıyoruz. Yol kaybı modeli olarak, saçılma etkisini hesaba katan Beer-Lambert formülünün değiştirilmiş bir versiyonunu ele alıyoruz. Yakın alan analizine dayanarak, türbülanslı su altı yolu üzerindeki ortalama güç transferini belirlemek için dalga yapısı fonksiyonunu kullanıyoruz ve bunu anahtar üretim hızında daha düşük bir sınır elde etmek için kullanıyoruz. Bu sınıra dayanarak, yem BB84 protokolünün farklı su türlerinde (temiz ve kıyı) performansını sunuyoruz. İletim açıklığı boyutunun ve dedektör görüş alanının etkisini daha da araştırıyoruz.
Özet (Çeviri)
The current literature on quantum key distribution (QKD) is mainly limited to the transmissions over fiber optic, atmospheric or satellite links and are not directly applicable to underwater environments with different channel characteristics. Absorption, scattering, and turbulence experienced in underwater channels severely limit the range of quantum communication links. In the first part of this thesis, we analyze the quantum bit error rate (QBER) and secret key rate (SKR) performance of the well-known BB84 protocol in underwater channels. As path loss model, we consider a modified version of Beer-Lambert formula which takes into account the effect of scattering. We derive a closed-form expression for the wave structure function to determine the average power transfer over turbulent underwater path and use this to obtain an upper bound on QBER as well as a lower bound on SKR. Based on the derived bounds, we present the performance of BB84 protocol in different water types including clear, coastal and turbid water and under different atmospheric conditions such as clear, hazy and overcast. We further investigate the effect of system parameters such as aperture size and detector field-of-view on QBER and SKR performance metrics. In the second part of this thesis, as a potential solution to overcome range limitations, we investigate a multi-hop underwater QKD where intermediate nodes between the source and destination nodes help the key distribution. We consider the deployment of passive relays which simply redirect the qubits to the next relay node or the receiver without any measurement. Based on the near-field analysis, we present the performance of relay-assisted QKD scheme in terms of quantum bit error rate and secret key rate in different water types and turbulence conditions. We further investigate the effect of system parameters such as aperture size and detector field-of-view on the performance. Our results demonstrate under what conditions relay-assisted QKD can be beneficial and what end-to-end transmission distances can be supported with a multi-hop underwater QKD system. In the last part of this thesis, we investigate the fundamental performance limits of decoy BB84 protocol over turbulent underwater channels and provide a comprehensive performance characterization. As path loss model, we consider a modified version of Beer-Lambert formula, which takes into account the effect of scattering. Based on near field analysis, we utilize the wave structure function to determine the average power transfer over turbulent underwater path and use this to obtain a lower bound on key generation rate. Based on this bound, we present the performance of decoy BB84 protocol in different water types (clear and coastal). We further investigate the effect of transmit aperture size and detector field of view.
Benzer Tezler
- Deep learning based optimization of underwater quantum key distribution systems
Sualtı kuantum anahtar dağıtım sistemlerinin derin öğrenme tabanlı optimizasyonu
MOSTAFA NOZARI
Yüksek Lisans
İngilizce
2024
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiÖzyeğin ÜniversitesiElektrik ve Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MURAT UYSAL
- Quantum key distribution protocol-based image encryption algorithm
Kuantum anahtar dağıtım protokolü tabanlı görüntü şifreleme algoritması
OMAR SALHAB
Yüksek Lisans
İngilizce
2022
Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve KontrolAnkara Yıldırım Beyazıt ÜniversitesiBilgisayar Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. FATİH VEHBİ ÇELEBİ
- Yapay kas uygulamaları için nanokompozit malzeme geliştirilmesi
Development of nanocomposite material for artificial muscle applications
AYŞE KÜBRA AYDINALEV
Yüksek Lisans
Türkçe
2023
Biyomühendislikİstanbul Teknik ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MELEK MÜMİNE EROL TAYGUN
- Bir yönetim sistemi olarak altı sigma: Dünyada ve Türkiye'de uygulama örnekleri
Six sigma as a management system: Utilization models Turkey and world
HASAN ÖZGÜR ÖZEN
Yüksek Lisans
Türkçe
2005
İşletmeZonguldak Karaelmas Üniversitesiİşletme Ana Bilim Dalı
PROF.DR. GÜVEN MURAT