Onderzoekers rapporteren een experimentele demonstratie van een ruimte-naar-aarde Quantum Key Distribution (QKD) -netwerk met behulp van een compacte QKD-terminal aan boord van het Chinese Space Lab Tiangong-2 en vier grondstations. Het nieuwe QKD-systeem weegt minder dan de helft van het systeem dat de onderzoekers ontwikkelden voor de Micius-satelliet, die werd gebruikt om 's werelds eerste kwantumgecodeerde virtuele teleconferentie uit te voeren.

De demonstratie vertegenwoordigt een belangrijke stap in de richting van praktische QKD op basis van constellaties van kleine satellieten, een opstelling die wordt beschouwd als een van de meest veelbelovende routes voor het creëren van een wereldwijd kwantumcommunicatienetwerk.

"QKD biedt onvoorwaardelijke veiligheid door enkele fotonen te gebruiken om informatie tussen twee verre terminals te coderen", zegt Cheng-Zhi Peng, lid van het onderzoeksteam van de University of Science and Technology of China. "Het compacte systeem dat we hebben ontwikkeld, kan de kosten van de implementatie van QKD verlagen door het mogelijk te maken om kleine satellieten te gebruiken."

Peng en onderzoekers van andere instellingen in China beschrijven hun nieuwe systeem en experimentele resultaten in Optica . Ze ontdekten ook dat de QKD-prestaties kunnen worden verbeterd door een netwerk van satellieten te bouwen die onder verschillende hoeken of hellingen ten opzichte van de evenaar draaien.

"Ons nieuwe werk toont de haalbaarheid aan van een ruimte-grond QKD-netwerk op basis van een compacte satellietlading gecombineerd met constellaties van satellieten met verschillende baantypes", zei Peng. "In de nabije toekomst kan dit type QKD-systeem worden gebruikt in toepassingen die een hoge mate van beveiliging vereisen, zoals overheidszaken, diplomatie en financiën."

Het QKD-systeem verkleinen

QKD gebruikt de kwantumeigenschappen van licht om veilige willekeurige sleutels te genereren voor het versleutelen en ontsleutelen van gegevens. In eerder werk demonstreerde de onderzoeksgroep satelliet-naar-grond QKD en satelliet-gerelateerd intercontinentale kwantumnetwerken met behulp van de Micius-satelliet. Het QKD-systeem dat aan boord van die satelliet werd gebruikt, was echter omvangrijk en duur. Het systeem was ongeveer zo groot als een grote koelkast, woog ongeveer 130 kg en had een vermogen van 130 W nodig.

Als onderdeel van China's kwantumconstellatieplan probeerden de onderzoekers een meer praktisch ruimte-grond QKD-netwerk te ontwikkelen en te demonstreren. Om dit te doen, ontwikkelden ze een compact laadvermogen waarmee het Tiangong-2 Space Lab kon fungeren als een QKD-satellietterminal. De QKD-lading, bestaande uit een volgsysteem, een QKD-zender en een lasercommunicatiezender, woog ongeveer 60 kg, had 80 W vermogen nodig en was ongeveer zo groot als twee magnetronovens.

"Deze lading is zo geïntegreerd mogelijk om het volume, het gewicht en de kosten te verminderen en tegelijkertijd de hoge prestaties te bereiken die nodig zijn om ruimte-naar-grond QKD-experimenten te ondersteunen", aldus Peng. "Het moest ook zeer duurzaam zijn om bestand te zijn tegen zware omstandigheden, zoals de ernstige trillingen tijdens de lancering en de extreme thermische vacuümomgeving van de ruimte."

De onderzoekers voerden tussen oktober 2018 en februari 2019 in totaal 19 QKD-experimenten uit waarbij op 15 verschillende dagen op 15 verschillende dagen beveiligde sleutels werden uitgedeeld tussen de Space Lab-terminal en vier grondstations. Deze experimenten werden 's nachts uitgevoerd om de invloed van achtergrondgeluid bij daglicht te voorkomen. .

De onderzoekers ontdekten dat de medium (~ 42°) hellingbaan van het ruimtelaboratorium meerdere passages over een enkel grondstation in één nacht mogelijk maakte, waardoor het aantal sleutels dat kon worden gegenereerd toenam. Ze bouwden ook een model om de prestaties van op satellieten gebaseerde QKD-netwerken te vergelijken met verschillende baantypes. Ze ontdekten dat het combineren van satellieten met een baan met een gemiddelde hellingshoek zoals het ruimtelaboratorium met een zonsynchrone baan die over de poolgebieden reist, de beste prestaties opleverde.

Volgende stappen

De onderzoekers werken nu aan het verbeteren van hun QKD-systeem door de snelheid en prestaties van het QKD-systeem te verhogen, de kosten te verlagen en de haalbaarheid van satelliet-naar-grond QKD-transmissie overdag te onderzoeken. "Deze verbeteringen zouden het mogelijk maken om een ​​praktische kwantumconstellatie te creëren door meerdere satellieten met een lage baan te lanceren", zei Peng. "De constellatie kan worden gecombineerd met een kwantumsatelliet met een gemiddelde tot hoge baan om de aarde en op glasvezel gebaseerde QKD-netwerken op de grond om een ​​in de ruimte geïntegreerd kwantumnetwerk te creëren."

Hoewel het geen deel uitmaakt van dit werk, werd op 27 juli een nog kleinere kwantumsatelliet, ontwikkeld door Hefei National Laboratory en University of Science and Technology of China en andere onderzoeksinstituten in China, met succes de ruimte in gelanceerd. Deze satelliet, bekend als een micro/nano-satelliet , weegt ongeveer een zesde van het gewicht van de Micius-satelliet en bevat een QKD-systeem dat ongeveer een derde van de grootte is van dat gedemonstreerd in de Optica papier. Die satelliet is ontworpen om real-time satelliet-naar-grond QKD-experimenten uit te voeren, wat een nieuwe belangrijke stap is in de richting van goedkope en praktische kwantumsatellietconstellaties. + Verder verkennen

's Werelds eerste geïntegreerde kwantumcommunicatienetwerk