NICT ontwikkelde 's werelds kleinste en lichtste kwantumcommunicatiezender (SOTA) aan boord van de microsatelliet SOCRATES. We zijn erin geslaagd om het eerste kwantumcommunicatie-experiment vanuit de ruimte te demonstreren, het ontvangen van informatie van de satelliet in een regime van één foton in een optisch grondstation in de stad Koganei. SOTA weegt 6 kg en heeft een lengte van 17,8 cm, 11,4 cm breed en 26,8 cm hoog. Het zendt een lasersignaal naar de grond met een snelheid van 10 miljoen bits per seconde vanaf een hoogte van 600 km met een snelheid van 7 km/s. We zijn erin geslaagd om het communicatiesignaal van SOTA met deze hoge snelheid correct te detecteren. Dit is een belangrijke stap in de richting van het bouwen van een wereldwijd, langdurig en echt veilig satellietcommunicatienetwerk.

Als resultaat van dit onderzoek, NICT heeft aangetoond dat satellietkwantumcommunicatie kan worden geïmplementeerd met kleine goedkope satellieten, die het mogelijk maakt om deze sleuteltechnologie te gebruiken. Het is een prestatie die een nieuwe pagina opent in de ontwikkeling van toekomstige wereldwijde communicatienetwerken en een grote impuls geeft aan de ruimtevaartindustrie.

De resultaten van dit onderzoek zijn geaccepteerd voor publicatie in Natuurfotonica .

De technologieën die nodig zijn om kleine satellieten tegen lage kosten te lanceren, zijn in deze eeuw enorm vooruitgegaan, en er worden aanzienlijke inspanningen geleverd om satellietconstellaties te ontwikkelen om een ​​wereldwijd communicatienetwerk tot stand te brengen dat de hele aarde bestrijkt. Echter, er is behoefte aan een technologie die in korte tijd grote hoeveelheden informatie van de ruimte naar de grond kan verzenden, en de huidige RF-banden zijn al overbelast, het creëren van een knelpunt in de communicatiecapaciteit.

Door lasers te gebruiken, optische satellietcommunicatie heeft een gemakkelijk beschikbare frequentieband en kan zenden met een hogere energie-efficiëntie en met kleinere en lichtere terminals. Dus, het zal naar verwachting een sleuteltechnologie zijn ter ondersteuning van de toekomstige satellietcommunicatienetwerken. Kwantumcommunicatie, en meer specifiek, Quantum Key Distribution (QKD) is een andere sleuteltechnologie om de informatiebeveiliging van de volgende wereldwijde communicatienetwerken te garanderen. De huidige QKD-koppelingen zijn beperkt tot enkele honderden km, dus het implementeren van satelliet-naar-grond QKD is een fundamentele stap in dit streven. QKD-onderzoek wordt actief uitgevoerd in Japan, China, Europa, Canada en de Verenigde Staten (zie aanvullende informatie over recente trends in onderzoek en ontwikkeling). In augustus 2016, de Universiteit voor Wetenschap en Technologie van China lanceerde een grote (635 kg) kwantumcommunicatiesatelliet en voerde een kwantumverstrengelingsexperiment uit met twee grondstations.

SOTA is 's werelds kleinste en lichtste kwantumcommunicatiezender (6 kg gewicht, 17,8 cm lengte, 11,4 cm breed, en 26,8 cm hoog) begonnen aan de microsatelliet SOCRATES (zie Fig. 1). SOTA zond twee polarisatietoestanden uit, het coderen van nullen en enen (zie Fig. 2a, b) naar de grond met een snelheid van 10 miljoen bits per seconde. De signalen van SOTA werden ontvangen op het NICT optische grondstation in de stad Koganei in Tokio met behulp van een telescoop van 1 m (zie figuur 2c) om de uitgezonden fotonen te verzamelen en ze naar de kwantumontvanger te leiden (zie figuur 2d), die de informatie decodeerde met behulp van een QKD-protocol.

Het signaal dat aankomt bij de 1 m telescoop is extreem zwak, met een gemiddelde van 0,1 foton per ontvangen puls. NICT heeft de technologie ontwikkeld om de tijdsynchronisatie en polarisatiereferentieframe-matching tussen de satelliet en het grondstation rechtstreeks uit de QKD-signalen uit te voeren, evenals een kwantumontvanger die zo'n zwak signaal met weinig ruis kan detecteren. We demonstreerden 's werelds eerste kwantumcommunicatie van een microsatelliet van 50 kg. Dit zal de ontwikkeling van toekomstige veilige verbindingen vanuit de ruimte via kwantumcryptografie mogelijk maken om het lekken van informatie volledig te voorkomen.

De technologie die in dit project is ontwikkeld, toonde aan dat satellietkwantumcommunicatie kan worden geïmplementeerd met behulp van goedkope lichtgewicht microsatellieten. Daarom, de verwachting is dat veel onderzoeksinstituten en bedrijven die geïnteresseerd zijn in deze technologie de praktische toepassing van kwantumcommunicatie vanuit de ruimte zullen versnellen. In aanvulling, omdat is bewezen dat communicatie over lange afstand mogelijk is met een zeer laag elektrisch vermogen, dit zal een pad openen om de optische communicatie in de diepe ruimte met verkenningsruimtevaartuigen te versnellen.

In de toekomst, we zijn van plan de transmissiesnelheid verder te verhogen en de precisie van de trackingtechnologie te verbeteren om de veilige sleuteloverdracht van de ruimte naar de grond te maximaliseren door gebruik te maken van kwantumcryptografie, waardoor een echt veilig wereldwijd communicatienetwerk mogelijk wordt, wiens vertrouwelijkheid momenteel wordt bedreigd door de aanstaande ontwikkeling van kwantumcomputers.

De technologieën die nodig zijn om kleine satellieten tegen lage kosten te lanceren, zijn de afgelopen jaren enorm vooruitgegaan, en door een groot aantal satellieten in een lage baan om de aarde te lanceren, wereldwijde communicatienetwerken die de hele aarde bestrijken in de vorm van satellietconstellaties worden een realiteit. Deze constellaties zullen te maken krijgen met een enorme hoeveelheid gegevens die in korte tijd naar de aarde moet worden overgebracht (aangezien de typische passage van een LEO-satelliet enkele minuten duurt). Aanvullend, de RF-technologie raakt achterhaald en het radiospectrum raakt verstopt. Optische satellietcommunicatie heeft een direct beschikbaar spectrum en het potentieel om de hoeveelheid verzonden gegevens te vergroten terwijl het vermogen wordt verminderd, massa en gewicht van de terminals.

Ruimtelasercommunicatie is in veel missies gedemonstreerd, voornamelijk in Japan, Europa en de VS In mei 2014, NICT ontwikkelde een kleine lasercommunicatieterminal (SOTA) en lanceerde deze aan boord van de microsatelliet SOCRATES in een zonsynchrone baan van 600 km. NICT heeft met succes verschillende experimenten met lasercommunicatie uitgevoerd, en sinds 2016, een nieuwe campagne van kwantumcommunicatie-experimenten werd uitgevoerd.

Quantumcommunicatie is een essentiële technologie voor het realiseren van kwantumcryptografie, die de uitwisseling van cryptografische sleutels volledig kan beschermen tegen het lekken van informatie. Satellieten kunnen het bereik van QKD-links aanzienlijk vergroten, omdat de verliezen kleiner zijn dan bij het gebruik van optische vezels, die doorgaans beperkt is tot ongeveer 200 km, waardoor intercontinentale geheime sleuteluitwisselingen mogelijk zijn.

In augustus 2016, de University of Science and Technology of China lanceerde een grote (635 kg) kwantumcommunicatiesatelliet en voerde een kwantumverstrengelingsexperiment uit met twee grondstations (J. Yin et al., Wetenschap, 356(6343), juni 2017). Het Chinese team voert ook experimenten uit met kwantumcryptografie op intercontinentale schaal met behulp van deze satelliet (E. Gibney, Natuur , 535, 2016).

Satellietlasercommunicatie en kwantumcommunicatie zijn opkomende technologieën met een groot potentieel in toekomstige wereldwijde communicatienetwerken, en ze trekken veel aandacht van veel belangrijke onderzoeksinstellingen over de hele wereld.

De meeste uitgezonden SOTA-fotonen gaan verloren voordat ze de ontvanger bereiken vanwege de divergentie van de laserstraal en de beperkte opening van de telescoop om de fotonen te verzamelen. Aanvullend, veel fotonen worden verstrooid en geabsorbeerd in de atmosfeer. Als resultaat, het signaal dat bij de OGS aankomt, is extreem zwak, met een gemiddelde van minder dan 0,1 foton per puls. Aangezien dergelijke zwakke signalen niet kunnen worden gedetecteerd via conventionele fotodetectoren, de kwantumontvanger gebruikte extreem gevoelige detectoren die bekend staan ​​als fotonentellers die afzonderlijke fotonen kunnen detecteren. Dit maakt een efficiëntere communicatie mogelijk dan conventionele optische satellietcommunicatie. Ook, door signalen te gebruiken met minder dan één foton per puls, kwantumcryptografie kan de aanwezigheid van een afluisteraar detecteren, die het mogelijk maakt om geheime sleutels op een vertrouwelijke manier af te leveren.

Om kwantumcommunicatie en kwantumcryptografie met zo'n zwak signaal te realiseren, een belangrijke stap is om de signalen nauwkeurig van een tijdstempel te voorzien, zodat ze duidelijk worden herkend in de kwantumontvanger. Daarom, het is noodzakelijk om de signalen tussen SOCRATES en de OGS nauwkeurig te synchroniseren om de verzonden bits zonder fouten te detecteren. Het is ook noodzakelijk om een ​​polarisatie-as matching uit te voeren, omdat de referentieframes veranderen door de relatieve beweging tussen de satelliet en het grondstation. Alleen Japan en China hebben deze technologieën in de ruimte kunnen demonstreren, maar China deed het door een satelliet van 600 kg te gebruiken, terwijl Japan het deed door een satelliet van 50 kg te gebruiken.

Omdat de satelliet met hoge snelheid beweegt ten opzichte van de OGS (ongeveer 7 km/s), de golflengte van het lasersignaal Doppler verschoof naar een kortere golflengte bij het naderen van de OGS, en naar een langere golflengte bij het weggaan van de OGS. Door het Doppler-effect, het is noodzakelijk om een ​​nauwkeurige tijdsynchronisatie uit te voeren om de lange reeksen bits correct te detecteren zonder fouten. In het Chinese kwantumcommunicatie-experiment, deze synchronisatie werd gerealiseerd door gebruik te maken van een speciale laser die een synchronisatiesignaal uitzendt. Daarentegen, NICT kon deze synchronisatie uitvoeren met behulp van het kwantumsignaal zelf. Een speciale synchronisatiereeks van ongeveer 32, Hiervoor werd in het kwantumcommunicatiesignaal 000-bits gebruikt, en de kwantumontvanger was in staat om niet alleen de kwantumcommunicatie uit te voeren, maar ook de synchronisatie en de polarisatie-as die direct overeenkomen, door alleen het zwakke kwantumsignaal te gebruiken. In dit experiment, NICT is erin geslaagd om voor het eerst aan te tonen dat kwantumcommunicatietechnologie kan worden geïmplementeerd in kleine satellieten.

Fig. 4 toont de baan van SOCRATES, evenals de Doppler-verschuivingsberekening en meting van het experiment uitgevoerd op 5 augustus, 2016. Zoals weergegeven in Fig. 4a, SOCRATES vloog van het zuiden naar het noorden over de Stille Oceaan en bereikte de kortste afstand van 744 km tot het optische grondstation van NICT om 22:59:41 Japanse tijd. Rond die tijd werd er een communicatieverbinding tot stand gebracht gedurende twee minuten en 15 seconden. Fig. 4b toont de theoretische waarde van de Doppler-verschuiving voorspeld op basis van de SOCRATES-baaninformatie, en Fig. 4c toont de experimentele waarde. De waargenomen waarde van de Dopplerverschuiving toonde een goede overeenkomst met de theorie, en de verandering van frequentie als gevolg van de Doppler-verschuiving kon nauwkeurig worden gecorrigeerd. Op basis van deze frequentiecorrectie, de tijdsynchronisatie tussen de satelliet en het grondstation werd tot stand gebracht terwijl de verandering van het tijdsinterval van fotonen die elke seconde uit SOCRATES kwamen nauwkeurig werd gecorrigeerd.

Na het instellen van de tijdsynchronisatie, het fotonsignaal wordt omgezet in digitale nullen en enen. Echter, door de bitpositieverschuiving, het is nog steeds nodig om de door SOTA verzonden bitreeks te matchen met de bij de OGS ontvangen bitreeks. Zoals getoond in Fig. 5, door de kruiscorrelatie van de synchronisatiereeks van ongeveer 32 te analyseren, 000 bits, deze wedstrijd kon met succes worden uitgevoerd. Fig. 5b toont de correlatiepiek bij de 29, 656e bitpositie, wat betekent dat dit in de OGS als de oorsprong wordt beschouwd, zodat de reeks correct kan worden gedecodeerd.

Fig. 6 toont een voorbeeld van een histogram van de reeks gedetecteerde fotonen door de kwantumontvanger. De Tx2- en Tx3-signalen tonen de door SOTA uitgezonden fotonen en het histogram laat zien hoe de gedetecteerde fotonen zich verhouden tot het oorspronkelijke signaal. Dit toont aan dat de synchronisatie nauwkeurig kan worden vastgesteld door direct gebruik te maken van het kwantumsignaal, zelfs bij aanzienlijke verliezen.

Aangezien SOCRATES beweegt ten opzichte van het grondstation, het polarisatiereferentieframe tussen SOTA en de OGS verandert voortdurend. Om een ​​kwantumcommunicatieverbinding correct tot stand te brengen, het polarisatiereferentieframe moet hetzelfde zijn. Als deze relatieve verandering niet wordt gecorrigeerd, de polarisatietoestanden die overeenkomen met nullen en enen kunnen niet nauwkeurig worden geïdentificeerd. Fig. 7 toont de voorspelde polarisatiehoek van de door SOTA uitgezonden fotonen voor nullen en enen, evenals de gemeten hoeken, een goede overeenkomst tussen beide te bereiken. De theoretische voorspelling werd berekend met behulp van de orbitale informatie van SOCRATES, evenals zijn houdingsverandering tijdens de pas over Japan. Door het referentiekader te matchen, een kwantumbitfoutpercentage van slechts 3,7 procent kon worden gemeten. Dit toont aan dat kwantumcommunicatie mogelijk is vanuit de ruimte, aangezien het minder dan 10 procent is, vaak gebruikt als voorwaarde voor de veiligheid van kwantumcryptografie. Dit is de eerste dergelijke demonstratie met een microsatelliet van 50 kg-klasse.