Forskare demonstrerade experimentellt ett QKD-nätverk från rymden till mark med hjälp av en kompakt QKD-terminal ombord på det kinesiska rymdlabbet Tiangong-2 och fyra markstationer. Kredit:Cheng-Zhi Peng, University of Science and Technology i Kina
Forskare rapporterar en experimentell demonstration av ett QKD-nätverk (quantum key distribution) från rymden till mark med hjälp av en kompakt QKD-terminal ombord på det kinesiska rymdlabbet Tiangong-2 och fyra markstationer. Det nya QKD-systemet väger mindre än hälften av det system som forskarna utvecklade för Micius-satelliten, som användes för att genomföra världens första kvantkrypterade virtuella telekonferens.
Demonstrationen representerar ett viktigt steg mot praktisk QKD baserat på konstellationer av små satelliter, en uppsättning som anses vara en av de mest lovande vägarna för att skapa ett globalt kvantkommunikationsnätverk.
"QKD erbjuder ovillkorlig säkerhet genom att använda enstaka fotoner för att koda information mellan två avlägsna terminaler", säger forskargruppsmedlem Cheng-Zhi Peng från University of Science and Technology i Kina. "Det kompakta systemet vi utvecklat kan minska kostnaderna för att implementera QKD genom att göra det möjligt att använda små satelliter."
Peng och forskare från andra institutioner i Kina beskriver sitt nya system och experimentella resultat i Optica . De fann också att QKD-prestanda kan ökas genom att bygga ett nätverk av satelliter som kretsar i olika vinklar, eller lutningar, i förhållande till ekvatorn.
"Vårt nya arbete visar genomförbarheten av ett QKD-nätverk med rymdmark baserat på en kompakt satellitnyttolast kombinerat med konstellationer av satelliter med olika omloppstyper", säger Peng. "Inom en snar framtid kan den här typen av QKD-system användas i applikationer som kräver hög säkerhet som regeringsfrågor, diplomati och finans."
Forskarna skapade den kompakta nyttolasten – som visas här i markexperiment – som gjorde det möjligt för Tiangong-2 Space Lab att fungera som en QKD-satellitterminal. Det inkluderade ett spårningssystem, QKD-sändare och en laserkommunikationssändare. Kredit:Cheng-Zhi Peng, University of Science and Technology i Kina
Förminska QKD-systemet
QKD använder ljusets kvantegenskaper för att generera säkra slumpmässiga nycklar för kryptering och dekryptering av data. I tidigare arbete demonstrerade forskargruppen satellit-till-jord QKD och satellit-reläade interkontinentala kvantnätverk med hjälp av Micius-satelliten. QKD-systemet som användes ombord på den satelliten var dock skrymmande och dyrt. Omkring storleken på ett stort kylskåp vägde systemet cirka 130 kg och krävde 130 W effekt.
Som en del av Kinas kvantkonstellationsplan försökte forskarna utveckla och demonstrera ett mer praktiskt rymdbaserat QKD-nätverk. För att göra detta utvecklade de en kompakt nyttolast som gjorde det möjligt för Tiangong-2 Space Lab att fungera som en QKD-satellitterminal. QKD-nyttolasten – som består av ett spårningssystem, QKD-sändare och en laserkommunikationssändare – vägde cirka 60 kg, krävde 80 W effekt och mättes ungefär som två mikrovågsugnar.
"Denna nyttolast var så integrerad som möjligt för att minska volym, vikt och kostnad samtidigt som den uppnådde den höga prestanda som krävs för att stödja QKD-experiment från rymden till marken", säger Peng. "Den måste också vara mycket hållbar för att klara svåra förhållanden som de kraftiga vibrationerna som upplevdes under uppskjutning och den extrema termiska vakuummiljön i rymden."
Forskarna utförde totalt 19 QKD-experiment under vilka säkra nycklar framgångsrikt distribuerades mellan Space Lab-terminalen och fyra markstationer under 15 olika dagar mellan oktober 2018 och februari 2019. Dessa experiment utfördes på natten för att undvika påverkan av bakgrundsljud från dagsljus .
Forskarna fann att rymdlabbets medelhög lutningsbana (~42°) tillät flera passager över en enda markstation på en natt, vilket ökade antalet nycklar som kunde genereras. De byggde också en modell för att jämföra prestandan hos satellitbaserade QKD-nätverk med olika omloppstyper. De fann att kombinationen av satelliter med en bana med medelhög lutning som rymdlabbet med en solsynkron bana som färdas över polarområdena gav den bästa prestandan.
Satellitbaserad QKD-överföring skulle kunna användas för att skapa ett mycket säkert globalt kvantkommunikationsnätverk. Kredit:Cheng-Zhi Peng, University of Science and Technology i Kina
Nästa steg
Forskarna arbetar nu med att förbättra sitt QKD-system genom att öka hastigheten och prestandan hos QKD-systemet, minska kostnaderna och undersöka genomförbarheten av satellit-till-mark QKD-överföring dagtid. "Dessa förbättringar skulle göra det möjligt att skapa en praktisk kvantkonstellation genom att skjuta upp flera satelliter med låg omloppsbana," sa Peng. "Konstellationen skulle kunna kombineras med en kvantsatellit med medium till hög omloppsbana och fiberbaserade QKD-nätverk på marken för att skapa ett rymdjordintegrerat kvantnätverk."
Även om det inte var en del av detta arbete, lanserades en ännu mindre kvantsatellit utvecklad av Hefei National Laboratory och University of Science and Technology i Kina och andra forskningsinstitut i Kina framgångsrikt upp i rymden den 27 juli. Denna satellit, känd som en mikro/nano-satellit , väger ungefär en sjättedel av Micius-satellitens vikt och innehåller ett QKD-system som är ungefär en tredjedel av storleken på det som visas i Optica papper. Den satelliten är designad för att utföra realtids-satellit-till-mark QKD-experiment, vilket representerar ytterligare ett viktigt steg mot billiga och praktiska kvantsatellitkonstellationer. + Utforska vidare
