Onderzoekers in Italië hebben de haalbaarheid aangetoond van kwantumcommunicatie tussen hoog in een baan om de aarde draaiende wereldwijde navigatiesatellieten en een grondstation. met een uitwisseling op het enkel foton niveau over een afstand van 20, 000km.

Het mijlpaalexperiment bewijst de haalbaarheid van veilige kwantumcommunicatie op wereldschaal, met behulp van het Global Navigation Satellite System (GNSS). Het wordt vandaag volledig gerapporteerd in het tijdschrift Kwantumwetenschap en technologie .

Co-hoofdauteur Dr. Giuseppe Vallone is van de Universiteit van Padova, Italië. Hij zei:"Op satellieten gebaseerde technologieën maken een breed scala aan civiele, wetenschappelijke en militaire toepassingen zoals communicatie, navigatie en timing, teledetectie, meteorologie, verkenning, zoek en Red, ruimteverkenning en astronomie.

"De kern van deze systemen is het veilig verzenden van informatie en gegevens van satellieten in een baan om de aarde naar grondstations op aarde. Bescherming van deze kanalen tegen een kwaadwillende tegenstander is daarom cruciaal voor zowel militaire als civiele operaties.

"Ruimtequantumcommunicatie (QC) is een veelbelovende manier om onvoorwaardelijke veiligheid te garanderen voor satelliet-naar-grond en intersatelliet optische verbindingen, door kwantuminformatieprotocollen te gebruiken als kwantumsleuteldistributie (QKD)."

De resultaten van het team tonen de eerste uitwisseling van een paar fotonen per puls tussen twee verschillende satellieten in de Russische GLONASS-constellatie en het Space Geodesy Center van de Italiaanse ruimtevaartorganisatie.

Co-hoofdauteur professor Paolo Villoresi zei:""Ons experiment gebruikte de passieve retroreflectoren die op de satellieten waren gemonteerd. Door de werkelijke verliezen van het kanaal te schatten, we kunnen de kenmerken van zowel een speciale kwantumlading als een ontvangend grondstation evalueren.

"Onze resultaten bewijzen de haalbaarheid van QC van GNSS in termen van haalbare signaal-ruisverhouding en detectiesnelheid. Ons werk verlegt de limiet van vrije-ruimte-enkele-fotonuitwisseling over lange afstand. De langste kanaallengte die eerder werd aangetoond was ongeveer 7 , 000km, in een experiment met een Medium-Earth-Orbit (MEO)-satelliet die we in 2016 hebben gerapporteerd."

Hoewel satellieten in een hoge baan een grote technologische uitdaging vormen, als gevolg van verliezen van optische kanalen, Professor Villoresi legde de redenering van het team uit om zich in hun onderzoek te concentreren op satellieten in een hoge baan om de aarde.

Hij zei:"De hoge baansnelheid van satellieten met een lage baan om de aarde (LEO) is zeer effectief voor de wereldwijde dekking, maar beperkt hun zichtbaarheidsperioden vanaf een enkel grondstation. Integendeel, het gebruik van satellieten in hogere banen kan de communicatietijd verlengen, enkele uren bereiken in het geval van GNSS.

"QC zou ook interessante oplossingen kunnen bieden voor GNSS-beveiliging voor zowel satelliet-naar-grond- als inter-satellietverbindingen, die nieuwe en onvoorwaardelijk veilige protocollen voor de authenticatie zouden kunnen bieden, integriteit en vertrouwelijkheid van uitgewisselde signalen."

Dr. Giuseppe Bianco, die de directeur is van het Space Geodesy Center van het Italiaanse ruimteagentschap en co-auteur, zei:"De enkele fotonenuitwisseling met een GNSS-satelliet is een belangrijk resultaat voor zowel wetenschappelijke als toepassingsperspectieven. Het past perfect in de Italiaanse routekaart voor Space Quantum Communications, en het is de laatste prestatie van onze samenwerking met de Universiteit van Padua, die gestaag vordert sinds 2003."