Correction of Wavefront Tilt Caused by Atmospheric Turbulence Using Quadrant Detectors for Enabling Fast Free-Space Quantum Communications in Daylight

Veronica Fernandez, Jorge Gómez-García, Alejandro Ocampos-Guillén and Alberto Carrasco-Casado
IEEE Access, vol. 6, pp. 3336-3345
2018

Low photon-level signals used in most free-space quantum communication systems require a narrow field of view in the receiver to minimize the amount of background noise coupled into the single photon detectors. This can be achieved through beam tracking techniques, which compensate atmospheric effects, such as beam wander, in the receiver, reducing the long-term beam area. However, reducing the diameter of this area below a few microns, typically necessary to achieve a low level of solar background noise and successful daylight quantum transmission, require fine tracking precision and diffraction-limited optics. We demonstrate that this can be done with standard voice-coil fast steering mirrors and cheap commercially-available quadrant detectors. Two correcting strategies (open and closed loop) are experimentally tested and analyzed for their applicability in metropolitan (~km range) free-space quantum communications. The area containing the random fluctuations of the beam centroid caused by atmospheric turbulence at the focal plane of the receiver was reduced by a factor of 4 with an open-loop configuration, and up to a factor of nine with a closed loop configuration. This is equivalent to a reduction in the quantum bit error rate caused by background solar noise of up to one order of magnitude, which, combined with spectral filtering techniques, enable the possibility of fast daylight quantum key distribution.

  • "Este invento transforma los plásticos de los océanos en compuestos químicos para alimetnar a los peces. Tiene unos sensores especiales que captan los plásticos, los aspira, recoge y tritura. El plástico molido se mezcla con sustancias químicas no contaminantes y se transforma en alimentos que van al mar".

  • La medusa robótica es un robot marino que limpia los océnaos de basura y la lleva a barcos especiales para ser reciclada.

  • "Este invento trata de un aspirador portable que apira el CO2 del aire. Debe estar prohibido utilizarlo en ciertos lugares, ya que las plantas no podrán realizar la fotosíntesis.

    Para vaciarlo, se debe hacer en un invernadero con plantas, que se alimentaran con el CO2 almacenado"

  • "Tren volador que alcanza los 500 km/h y podrá transportar 1000 personas. El tren volador está propulsado por varios reactores que funcionan gracias a paneles solares que se encuentran en el techo de la locomotora y de los vagones. Se encendería y se movería con el piloto automático y con la ayuda de la energía solar así no contaminará el medio ambiente".

  • "Es un paraguas que te puede proporcionar calor en los dias frios y frescor en los dias calurosos, comida si tienes hambre y agua si tienes sed. Y ademas solo con decirselo te lo hace todo. ¿Quieres comprarlo?".

  • "Es una máquina submarina para recoger los plásticos del mar. Tiene un sistema espanta peces para alejarlos y no hacerles daño. Un sensor en la parte de abajo detecta los plásticos y un brazo robótico los mete dentro, donde se analiza de que material son y los guarda hasta que llega a la superficie".

  • "Es un bastón que con un láser mide la distancia de los pasos de cebra y con un geo-localizador mide la velocidad media del abuelo. Así el abuelo dando al botón verde o ambar podría saber si cruza porque el bastón cambia de color se´gun sus cálculos".

  • "Este invento sirve para la gente que tiene mucha prisa cogen el propulsor y te vas al trabajo o al colegio volando".

  • "En el futuro quiero que haya un ascensor que suba al espacio y que te lleve a un museo con hotel. Como la subida es tan larga, los que suban pueden dormir en el hotel del ascensor y comer comida más rica que los astronautas"

  • "Es una prótesis robot que tiene visión nocturna, rallos X y escudo irrompible. Yo deseo poder tenerla en un futuro".