We propose a multiple-input multiple-output (MIMO) quantum key distribution (QKD) scheme for terahertz (THz) frequency applications operating at room temperature. Motivated by classical MIMO communications, a transmit-receive beamforming scheme is proposed that converts the rank-$r$ MIMO channel between Alice and Bob into $r$ parallel lossy quantum channels. Compared with existing single-antenna QKD schemes, we demonstrate that the MIMO QKD scheme leads to performance improvements by increasing the secret key rate and extending the transmission distance. Our simulation results show that multiple antennas are necessary to overcome the high free-space path loss at THz frequencies. We demonstrate a non-monotonic relation between performance and frequency, and reveal that positive key rates are achievable in the $10-30$ THz frequency range. The proposed scheme can be used for both indoor and outdoor QKD applications for beyond fifth-generation ultra-secure wireless communications systems.


翻译:我们为室温条件下操作的terahertz(Thz)频率应用提出了多投入多输出量子键分配(QKD)计划,在传统的MIMO通信的推动下,提出了一种传输接收波束成型计划,将Alice和Bob之间的一级-美元MIMO频道转换为美元平行损失量子频道。与现有的单亚麻纳QKD计划相比,我们证明IMO QKD计划通过增加秘密密钥率和扩大传输距离而导致绩效改善。我们的模拟结果表明,多重天线对于克服Thz频率的高自由空间路径损失是必要的。我们展示了性能和频率之间的非移动关系,并表明在10-30美元的THz频率范围内可以实现正关键率。拟议计划可用于第5代超安全无线通信系统的室内和室外QKD应用。

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