NICT utvecklade världens minsta och lättaste kvantkommunikationssändare (SOTA) ombord på mikrosatelliten SOCRATES. Vi lyckades demonstrera det första kvantkommunikationsexperimentet från rymden, ta emot information från satelliten i en enfotonregim i en optisk markstation i staden Koganei. SOTA väger 6 kg och är 17,8 cm lång, 11,4 cm bredd och 26,8 cm höjd. Den sänder en lasersignal till marken med en hastighet av 10 miljoner bitar per sekund från en höjd av 600 km med en hastighet av 7 km/s. Vi lyckades korrekt identifiera kommunikationssignalen från SOTA som rör sig med denna snabba hastighet. Detta är ett stort steg mot att bygga ett globalt långdistans- och verkligt säkert satellitkommunikationsnätverk.

Som ett resultat av denna forskning, NICT visade att satellitkvantkommunikation kan implementeras med små billiga satelliter, vilket gör det möjligt att använda denna nyckelteknologi. Det är en prestation som öppnar en ny sida i utvecklingen framtida globala kommunikationsnätverk och ett stort lyft för rymdindustrin.

Resultaten av denna forskning accepterades för publicering i Nature Photonics .

Den teknik som krävs för att skjuta upp små satelliter till en låg kostnad har utvecklats oerhört under detta århundrade, och betydande ansträngningar görs för att utveckla satellitkonstellationer för att uppnå ett globalt kommunikationsnätverk som täcker hela jorden. Dock, det finns ett behov av en teknik som kan överföra stora mängder information från rymden till marken på kort tid, och de nuvarande RF -banden är redan överbelastade, skapa en flaskhals av kommunikationskapacitet.

Genom att använda lasrar, satellitoptisk kommunikation har ett lättillgängligt frekvensband och kan överföra med högre energieffektivitet och med mindre och lättare terminaler. Således, det förväntas bli en nyckelteknologi för att stödja framtida satellitkommunikationsnät. Kvantkommunikation, och mer specifikt, quantum key distribution (QKD) är en annan nyckelteknologi för att garantera informationssäkerheten för nästa globala kommunikationsnät. Nuvarande QKD -länkar är begränsade till flera hundratals km, Därför är implementering av satellit-till-jord-QKD ett grundläggande steg i denna strävan. QKD -forskning bedrivs aktivt i Japan, Kina, Europa, Kanada och USA (se kompletterande information om senaste forsknings- och utvecklingstrender). I augusti 2016, Kinas universitet för vetenskap och teknik lanserade en stor (635 kg) kvantkommunikationssatellit och utförde ett kvantinblandningsförsök med två markstationer.

SOTA är världens minsta och lättaste kvantkommunikationssändare (6 kg vikt, 17,8 cm längd, 11,4 cm bredd, och 26,8 cm höjd) gick ombord på mikrosatelliten SOCRATES (se fig. 1). SOTA överförde två polariseringstillstånd, kodning av nollor och enor (se bild 2a, b) till marken med en hastighet av 10 miljoner bitar per sekund. Signalerna från SOTA togs emot vid den optiska markstationen NICT i Tokyos stad Koganei med ett 1 m teleskop (se bild 2c) för att samla de överförda fotonerna och leda dem till kvantmottagaren (se bild 2d), som avkodade informationen med ett QKD -protokoll.

Signalen som kommer till 1 m teleskopet är extremt svag, med i genomsnitt 0,1 fotoner per mottagen puls. NICT utvecklade tekniken för att utföra tidssynkronisering och polarisationsreferensrammatchning mellan satelliten och markstationen direkt från QKD -signalerna, samt en kvantmottagare som kan detektera en så svag signal med lågt brus. Vi demonstrerade världens första kvantkommunikation från en 50 kg mikrosatellit. Detta kommer att möjliggöra utveckling av framtida säkra länkar från rymden via kvantkryptografi för att helt förhindra informationsläckage.

Tekniken som utvecklats i detta projekt visade att satellitkvantkommunikation kan implementeras med hjälp av billiga lätta mikrosatelliter. Därför, det förväntas att många forskningsinstitut och företag som är intresserade av denna teknik kommer att påskynda den praktiska tillämpningen av kvantkommunikation från rymden. Dessutom, eftersom det bevisats att fjärrkommunikation är möjlig med mycket låg elektrisk effekt, detta öppnar en väg för att påskynda optisk kommunikation med rymdfarkoster.

I framtiden, vi planerar att ytterligare öka överföringshastigheten och förbättra precisionen i spårningstekniken för att maximera säker leverans av nycklar från rymden till marken med hjälp av kvantkryptografi som möjliggör ett verkligt säkert globalt kommunikationsnätverk, vars konfidentialitet för närvarande hotas av den kommande utvecklingen av kvantdatorer.

Den teknik som är nödvändig för att skjuta upp små satelliter till låg kostnad har utvecklats oerhört under de senaste åren, och genom att skjuta upp ett stort antal satelliter till en låg jordbana, globala kommunikationsnätverk som täcker hela jorden i form av satellitkonstellationer håller på att bli verklighet. Dessa konstellationer kommer att behöva hantera en enorm mängd data för att överföras till jorden på kort tid (eftersom det typiska passet för en LEO -satellit är flera minuter). Dessutom, RF -tekniken blir föråldrad och radiospektrumet överbelastat. Optisk satellitkommunikation har ett lättillgängligt spektrum och potentialen att öka mängden överförd data samtidigt som effekten reduceras, terminalernas massa och vikt.

Rymdlaserkommunikation har demonstrerats i många uppdrag, främst i Japan, Europa och USA I maj 2014, NICT utvecklade en liten laserkommunikationsterminal (SOTA) och lanserade den ombord på mikrosatellit SOCRATES till en 600 km solsynkron bana. NICT utförde framgångsrikt en mängd olika laserkommunikationsexperiment, och sedan 2016, en ny kampanj med kvantkommunikationsexperiment genomfördes.

Kvantkommunikation är en viktig teknik för att förverkliga kvantkryptografi, som helt kan skydda det kryptografiska nyckelutbytet från eventuellt informationsläckage. Satelliter kan avsevärt öka utbudet av QKD -länkar eftersom förlusterna är mindre än vid användning av optiska fibrer, som vanligtvis är begränsad till cirka 200 km, tillåter interkontinentalt hemligt nyckelutbyte.

I augusti 2016, University of Science and Technology of China lanserade en stor (635 kg) kvantkommunikationssatellit och utförde ett kvant-sammanfiltringsförsök med två markstationer (J. Yin et al., Vetenskap, 356 (6343), Juni 2017). Det kinesiska teamet utför också experiment med kvantkryptografi i interkontinental skala med hjälp av denna satellit (E. Gibney, Natur , 535, 2016).

Satellitlaserkommunikation och kvantkommunikation är nya tekniker med stor potential i framtida globala kommunikationsnätverk, och de väcker stor uppmärksamhet från många viktiga forskningsinstitutioner över hela världen.

De flesta av de överförda SOTA -fotonerna går förlorade innan de når mottagaren på grund av laserstrålens divergens och teleskopets begränsade bländare för att samla fotonerna. Dessutom, många fotoner sprids och absorberas i atmosfären. Som ett resultat, signalen som kommer till OGS är extremt svag, bär i genomsnitt färre än 0,1 fotoner per puls. Eftersom sådana svaga signaler inte kan detekteras via konventionella fotodetektorer, kvantmottagaren använde extremt känsliga detektorer som kallas fotonräknare som kan detektera enstaka fotoner. Detta möjliggör mer effektiv kommunikation än konventionell satellitoptisk kommunikation. Också, genom att använda signaler med mindre än en foton per puls, kvantkryptografi kan upptäcka närvaron av en avlyssning, vilket gör det möjligt att leverera hemliga nycklar på ett konfidentiellt sätt.

För att förverkliga kvantkommunikation och kvantkryptografi med en så svag signal, ett viktigt steg är att tidsstämpla signalerna så att de tydligt känns igen i kvantmottagaren. Därför, det är nödvändigt att exakt synkronisera signalerna mellan SOCRATES och OGS för att detektera de överförda bitarna utan fel. Det är också nödvändigt att utföra en polarisationsaxelmatchning, eftersom referensramarna ändras på grund av den relativa rörelsen mellan satelliten och markstationen. Endast Japan och Kina har kunnat demonstrera denna teknik i rymden, men Kina gjorde det genom att använda en satellit av 600 kg-klass, medan Japan gjorde det genom att använda en 50 kg-satellit.

Eftersom satelliten rör sig med hög hastighet i förhållande till OGS (cirka 7 km/s), våglängden för lasersignalen Doppler skiftade till en kortare våglängd när man närmar sig OGS, och till en längre våglängd när man rör sig bort från OGS. På grund av Doppler -effekten, det är nödvändigt att utföra en exakt tidssynkronisering för att korrekt detektera de långa sekvenserna av bitar utan fel. I Kinas kvantkommunikationsexperiment, denna synkronisering realiserades med hjälp av en dedikerad laser som sänder en synkroniseringssignal. Däremot, NICT kunde utföra denna synkronisering med hjälp av själva kvant -signalen. En speciell synkroniseringssekvens på cirka 32, 000-bitar användes i kvantkommunikationssignalen för detta ändamål, och kvantmottagaren kunde inte bara utföra kvantkommunikation, men också synkroniseringen och polarisationsaxeln matchar direkt, genom att endast använda den svaga kvantsignalen. I detta experiment, NICT lyckades för första gången visa att kvantkommunikationsteknik kan implementeras i små satelliter.

Fig. 4 visar Sokrates bana, samt beräkning av Doppler-skift och mätning av experimentet som genomfördes den 5 augusti, 2016. Som visas i fig. 4a, Sokrates flög över Stilla havet från söder till norr och nådde det närmaste avståndet 744 km till NICT optiska markstation vid 22:59:41 japansk tid. En kommunikationslänk upprättades i två minuter och 15 sekunder runt den tiden. Fig. 4b visar det teoretiska värdet av Doppler -skiftet som förutses från SOCRATES -banainformation, och Fig. 4c visar experimentvärdet. Det observerade värdet av Doppler -skiftet visade en god överensstämmelse med teorin, och frekvensändringen på grund av Doppler -skiftet kunde korrigeras exakt. Baserat på denna frekvenskorrigering, tidssynkroniseringen mellan satelliten och markstationen upprättades samtidigt som ändringen av tidsintervallet för fotoner som kommer från SOKRATER varannan sekund korrigeras.

Efter att ha upprättat tidssynkronisering, foton signalen omvandlas till digitala nollor och enor. Dock, på grund av bitpositionsskiftet, det är fortfarande nödvändigt att matcha bitsekvensen som sänds från SOTA med bitsekvensen som tas emot vid OGS. Som visas i fig. 5, genom att analysera korskorrelationen för synkroniseringssekvensen på cirka 32, 000 bitar, denna match kunde genomföras framgångsrikt. Fig. 5b visar korrelationstoppen vid 29, 656:e bitposition, vilket innebär att detta betraktas som ursprunget i OGS, så att sekvensen kan avkodas korrekt.

Fig. 6 visar ett exempel på ett histogram av serien av detekterade fotoner av kvantmottagaren. Tx2- och Tx3 -signalerna visar de överförda fotonerna med SOTA och histogrammet visar hur de detekterade fotonerna är relaterade till den ursprungliga signalen. Detta visar att synkroniseringen kan fastställas exakt genom att direkt använda kvantesignalen, även i närvaro av betydande förluster.

Eftersom Sokrates rör sig i förhållande till markstationen, polariseringsreferensramen mellan SOTA och OGS förändras ständigt. För att en kvantkommunikationslänk ska kunna upprättas korrekt, polariseringsreferensramen måste vara densamma. Om denna relativa förändring inte korrigeras, polarisationstillstånden som motsvarar nollor och sådana kan inte identifieras exakt. Fig. 7 visar den förutsagda polarisationsvinkeln för fotonerna som överförs från SOTA för nollor och enor, liksom de uppmätta vinklarna, att nå en bra överenskommelse mellan båda. Den teoretiska förutsägelsen beräknades med hjälp av den orbitala informationen från Sokrates, liksom dess attityd förändras under passet över Japan. Genom att matcha referensramen, en kvantbitfel så låg som 3,7 procent kunde mätas. Detta visar att kvantkommunikation är möjlig från rymden, eftersom det är under 10 procent, används ofta som villkor för att kvantkryptografi ska vara säker. Detta representerar den första demonstrationen med användning av en mikrosatellit av 50 kg-klass.