Verdens første demonstration af rumkvantekommunikation ved hjælp af en mikrosatellit

NICT udviklede verdens mindste og letteste kvantekommunikationstransmitter (SOTA) ombord på mikrosatellitten SOCRATES. Vi lykkedes med demonstrationen af ​​det første kvantekommunikationseksperiment fra rummet, at modtage information fra satellitten i et enkeltfoton-regime i en optisk jordstation i Koganei by. SOTA vejer 6 kg og har en længde på 17,8 cm. 11,4 cm bredde og 26,8 cm højde. Den sender et lasersignal til jorden med en hastighed på 10 millioner bits i sekundet fra en højde på 600 km med en hastighed på 7 km/s. Det lykkedes os at detektere kommunikationssignalet fra SOTA, der bevægede sig med denne hurtige hastighed. Dette er et stort skridt i retning af at opbygge et globalt langdistance- og virkelig sikkert satellitkommunikationsnetværk.

Som et resultat af denne forskning, NICT viste, at satellitkvantekommunikation kan implementeres med små billige satellitter, som gør det muligt at bruge denne nøgleteknologi. Det er en præstation, der åbner en ny side i udviklingen af ​​fremtidige globale kommunikationsnetværk og et stort løft til rumindustrien.

Resultaterne af denne undersøgelse blev accepteret til offentliggørelse i Naturfotonik .

De teknologier, der kræves for at opsende små satellitter til en lav pris, har udviklet sig enormt i løbet af dette århundrede, og der gøres en betydelig indsats for at udvikle satellitkonstellationer for at opnå et globalt kommunikationsnetværk, der dækker hele Jorden. Imidlertid, der er behov for en teknologi, der kan overføre store mængder information fra rummet til jorden i løbet af korte perioder, og de nuværende RF-bånd er allerede overbelastet, skabe en flaskehals af kommunikationskapacitet.

Ved at bruge lasere, optisk satellitkommunikation har et let tilgængeligt frekvensbånd og kan transmittere med højere effekteffektivitet og med mindre og lettere terminaler. Dermed, det forventes at være en nøgleteknologi til at understøtte fremtidige satellitkommunikationsnetværk. Kvantekommunikation, og mere specifikt, quantum key distribution (QKD) er en anden nøgleteknologi til at garantere informationssikkerheden for de næste globale kommunikationsnetværk. Nuværende QKD-links er begrænset til flere hundrede km, Derfor er implementering af satellit-til-jord QKD et grundlæggende skridt i denne bestræbelse. QKD-forskning udføres aktivt i Japan, Kina, Europa, Canada og USA (se supplerende oplysninger om nyere forsknings- og udviklingstendenser). I august 2016, Kinas Universitet for Videnskab og Teknologi opsendte en stor (635 kg) kvantekommunikationssatellit og udførte et kvantesammenfiltringseksperiment med to jordstationer.

SOTA er verdens mindste og letteste kvantekommunikationssender (6 kg vægt, 17,8 cm længde, 11,4 cm bredde, og 26,8 cm højde) gik i gang med mikrosatellitten SOCRATES (se fig. 1). SOTA transmitterede to polarisationstilstande, kodning af nuller og enere (se fig. 2a, b) til jorden med en hastighed på 10 millioner bits i sekundet. Signalerne fra SOTA blev modtaget på den optiske jordstation NICT i Tokyos Koganei by ved hjælp af et 1 m teleskop (se fig. 2c) til at indsamle de transmitterede fotoner og lede dem til kvantemodtageren (se fig. 2d). som afkodede informationen ved hjælp af en QKD-protokol.

Signalet, der ankommer til 1 m teleskopet, er ekstremt svagt, med et gennemsnit på 0,1 fotoner pr. modtaget puls. NICT udviklede teknologien til at udføre tidssynkronisering og polarisationsreferencerammematching mellem satellitten og jordstationen direkte fra QKD-signalerne, samt en kvantemodtager, der er i stand til at detektere et så svagt signal med lav støj. Vi demonstrerede verdens første kvantekommunikation fra en 50 kg mikrosatellit. Dette vil muliggøre udviklingen af ​​fremtidige sikre links fra rummet via kvantekryptografi for fuldstændigt at forhindre informationslækage.

Den teknologi, der er udviklet i dette projekt, viste, at satellitkvantekommunikation kan implementeres ved at bruge billige letvægtsmikrosatellitter. Derfor, det forventes, at mange forskningsinstitutter og virksomheder, der er interesseret i denne teknologi, vil fremskynde den praktiske anvendelse af kvantekommunikation fra rummet. Ud over, da det blev bevist, at langdistancekommunikation er mulig med meget lav elektrisk effekt, dette vil åbne en vej til at fremskynde optisk kommunikation i dybt rum med udforskningsrumfartøjer.

I fremtiden, vi planlægger at øge transmissionshastigheden yderligere og forbedre præcisionen af ​​sporingsteknologien for at maksimere den sikre nøglelevering fra rummet til jorden ved at bruge kvantekryptografi, der muliggør et virkelig sikkert globalt kommunikationsnetværk, hvis fortrolighed i øjeblikket er truet af den kommende udvikling af kvantecomputere.

De teknologier, der er nødvendige for at opsende små satellitter til lave omkostninger, er udviklet enormt i de sidste par år, og ved at opsende et stort antal satellitter i lav kredsløb om Jorden, globale kommunikationsnetværk, der dækker hele Jorden i form af satellitkonstellationer, er ved at blive en realitet. Disse konstellationer vil skulle håndtere en enorm mængde data, der skal overføres til Jorden i løbet af korte tidsrum (da den typiske passage af en LEO-satellit er flere minutter). Derudover RF-teknologien er ved at blive forældet, og radiospektret er overbelastet. Optisk satellitkommunikation har et let tilgængeligt spektrum og potentialet til at øge mængden af ​​transmitterede data, samtidig med at strømmen reduceres, terminalernes masse og vægt.

Rumlaserkommunikation er blevet demonstreret i mange missioner, hovedsageligt i Japan, Europa og USA I maj 2014 NICT udviklede en lille laserkommunikationsterminal (SOTA) og lancerede den ombord på mikrosatellitten SOCRATES i en 600 km solsynkron bane. NICT udførte med succes en række laserkommunikationseksperimenter, og siden 2016, en ny kampagne med kvantekommunikationseksperimenter blev gennemført.

Kvantekommunikation er en vigtig teknologi til at realisere kvantekryptografi, som fuldstændigt kan beskytte den kryptografiske nøgleudveksling mod enhver informationslækage. Satellitter kan øge rækkevidden af ​​QKD-links betydeligt, da tabene er mindre end ved brug af optiske fibre, som typisk er begrænset til omkring 200 km, tillader interkontinentale hemmelige nøgleudvekslinger.

I august 2016, University of Science and Technology of China opsendte en stor (635 kg) kvantekommunikationssatellit og udførte et kvantesammenfiltringseksperiment med to jordstationer (J. Yin et al., Videnskab, 356(6343), juni 2017). Det kinesiske hold udfører også eksperimenter på interkontinental skala kvantekryptografi ved hjælp af denne satellit (E. Gibney, Natur , 535, 2016).

Satellitlaserkommunikation og kvantekommunikation er nye teknologier med stort potentiale i fremtidens globale kommunikationsnetværk, og de tiltrækker sig stor opmærksomhed fra mange vigtige forskningsinstitutioner over hele verden.

De fleste af de transmitterede SOTA-fotoner går tabt, før de når modtageren på grund af laserstrålens divergens og teleskopets begrænsede blænde til at samle fotonerne. Derudover mange fotoner er spredt og absorberet i atmosfæren. Som resultat, signalet, der ankommer til OGS, er ekstremt svagt, bærer et gennemsnit på mindre end 0,1 fotoner pr. puls. Da sådanne svage signaler ikke kan detekteres via konventionelle fotodetektorer, kvantemodtageren brugte ekstremt følsomme detektorer kendt som fotontællere, der kan detektere enkelte fotoner. Dette muliggør mere højeffektiv kommunikation end konventionel optisk satellitkommunikation. Også, ved at bruge signaler med mindre end én foton pr. puls, kvantekryptografi kan detektere tilstedeværelsen af ​​en aflytning, som gør det muligt at levere hemmelige nøgler på en fortrolig måde.

For at realisere kvantekommunikation og kvantekryptografi med et så svagt signal, et nøgletrin er nøjagtigt at tidsstemple signalerne, så de tydeligt genkendes i kvantemodtageren. Derfor, det er nødvendigt nøjagtigt at synkronisere signalerne mellem SOCRATES og OGS for at detektere de transmitterede bits uden fejl. Det er også nødvendigt at udføre en polarisationsakse-tilpasning, fordi referencerammerne ændres på grund af den relative bevægelse mellem satellitten og jordstationen. Kun Japan og Kina har været i stand til at demonstrere disse teknologier i rummet, men Kina gjorde det ved at bruge en 600 kg-klasse satellit, mens Japan gjorde det ved at bruge en 50 kg-klasse satellit.

Da satellitten bevæger sig med høj hastighed i forhold til OGS (ca. 7 km/s), bølgelængden af ​​lasersignalet Doppler skiftede til en kortere bølgelængde, når man nærmede sig OGS, og til en længere bølgelængde, når man bevæger sig væk fra OGS. På grund af Doppler-effekten, det er nødvendigt at udføre en nøjagtig tidssynkronisering for korrekt at detektere de lange bitsekvenser uden fejl. I Kinas kvantekommunikationseksperiment, denne synkronisering blev realiseret ved at bruge en dedikeret laser, der transmitterede et synkroniseringssignal. Derimod NICT var i stand til at udføre denne synkronisering ved at bruge selve kvantesignalet. En speciel synkroniseringssekvens på omkring 32, 000-bit blev brugt i kvantekommunikationssignalet til dette formål, og kvantemodtageren var i stand til at udføre ikke kun kvantekommunikationen, men også synkroniseringen og polarisationsaksen matcher direkte, ved kun at bruge det svage kvantesignal. I dette eksperiment, Det lykkedes NICT for første gang at demonstrere, at kvantekommunikationsteknologi kan implementeres i små satellitter.

Fig. 4 viser SOCRATES-kredsløbet, samt Doppler-forskydningsberegning og måling af eksperimentet udført den 5. august, 2016. Som vist i fig. 4a, SOCRATES fløj over Stillehavet fra syd til nord og nåede den nærmeste afstand på 744 km til NICT optiske jordstation kl. 22:59:41 japansk tid. En kommunikationsforbindelse blev etableret i to minutter og 15 sekunder omkring det tidspunkt. Fig. 4b viser den teoretiske værdi af Doppler-skiftet forudsagt ud fra SOCRATES-kredsløbsinformationen, og fig. 4c viser forsøgsværdien. Den observerede værdi af Doppler-skiftet viste en god overensstemmelse med teorien, og ændringen af ​​frekvensen på grund af Doppler-forskydningen kunne korrigeres nøjagtigt. Baseret på denne frekvenskorrektion, tidssynkroniseringen mellem satellitten og jordstationen blev etableret, mens ændringen af ​​tidsintervallet for fotoner, der kommer fra SOCRATES hvert sekund, blev korrigeret nøjagtigt.

Efter at have etableret tidssynkroniseringen, fotonsignalet omdannes til digitale nuller og enere. Imidlertid, på grund af bit-positionsforskydningen, det er stadig nødvendigt at matche bitsekvensen transmitteret fra SOTA med bitsekvensen modtaget ved OGS. Som vist i fig. 5, ved at analysere krydskorrelationen af ​​synkroniseringssekvensen på ca. 32, 000 bit, denne kamp kunne udføres med succes. Fig. 5b viser korrelationstoppen ved 29, 656. bit position, hvilket betyder, at dette betragtes som oprindelsen i OGS, så sekvensen kan afkodes korrekt.

Fig. 6 viser et eksempel på et histogram af rækken af ​​detekterede fotoner af kvantemodtageren. Tx2- og Tx3-signalerne viser de transmitterede fotoner af SOTA, og histogrammet viser, hvordan de detekterede fotoner er relateret til det originale signal. Dette viser, at synkroniseringen kunne etableres nøjagtigt ved direkte at bruge kvantesignalet, selv i tilfælde af betydelige tab.

Da SOCRATES bevæger sig i forhold til jordstationen, polarisationsreferencerammen mellem SOTA og OGS ændrer sig konstant. For at et kvantekommunikationslink kan etableres korrekt, polarisationsreferencerammen skal være den samme. Hvis denne relative ændring ikke korrigeres, polarisationstilstandene svarende til nuller og enere kan ikke identificeres nøjagtigt. Fig. 7 viser den forudsagte polarisationsvinkel for fotonerne transmitteret fra SOTA for nuller og enere, samt de målte vinkler, opnå en god aftale mellem de to. Den teoretiske forudsigelse blev beregnet ved at bruge orbitalinformationen fra SOCRATES, samt dens holdningsændring under passet over Japan. Ved at matche referencerammen, en kvantebitfejlrate så lav som 3,7 procent kunne måles. Dette viser, at kvantekommunikation er mulig fra rummet, da det er under 10 procent, ofte brugt som en betingelse for, at kvantekryptografi er sikker. Dette repræsenterer den første sådan demonstration, hvor der anvendes en 50 kg-klasse mikrosatellit.