Forskare i Italien har visat genomförbarheten av kvantkommunikation mellan globala navigationssatelliter i hög omloppsbana och en markstation, med ett utbyte på en fotonnivå över ett avstånd av 20, 000 km.

Milstolpeexperimentet bevisar genomförbarheten av säker kvantkommunikation på global skala, med hjälp av Global Navigation Satellite System (GNSS). Det rapporteras i sin helhet idag i tidningen Quantum Science and Technology .

Medförfattare Dr. Giuseppe Vallone är från University of Padova, Italien. Han sa:"Satellitbaserad teknik möjliggör ett brett utbud av civila, vetenskapliga och militära tillämpningar som kommunikation, navigering och timing, fjärranalys, meteorologi, spaning, Sök och rädda, rymdutforskning och astronomi.

"Kärnan i dessa system är att på ett säkert sätt överföra information och data från satelliter i omloppsbana till markstationer på jorden. Skydd av dessa kanaler från en illvillig motståndare är därför avgörande för både militära och civila operationer.

"Space quantum communications (QC) representerar ett lovande sätt att garantera ovillkorlig säkerhet för satellit-till-jord och inter-satellit optiska länkar, genom att använda kvantinformationsprotokoll som kvantnyckeldistribution (QKD)."

Teamets resultat visar det första utbytet av några fotoner per puls mellan två olika satelliter i den ryska GLONASS-konstellationen och den italienska rymdorganisationens Space Geodesy Center.

Medförfattaren professor Paolo Villoresi sa:""Vårt experiment använde de passiva retroreflektorerna monterade på satelliterna. Genom att uppskatta kanalens faktiska förluster, vi kan utvärdera egenskaperna hos både en dedikerad kvantnyttolast och en mottagande markstation.

"Våra resultat bevisar genomförbarheten av QC från GNSS i termer av uppnåeligt signal-brusförhållande och detekteringshastighet. Vårt arbete utvidgar gränsen för långdistansutbyte av fritt utrymme med en foton. Den längsta kanallängden som tidigare demonstrerats var cirka 7 , 000 km, i ett experiment med en Medium-Earth-Orbit (MEO) satellit som vi rapporterade 2016."

Även om satelliter med hög omloppsbana utgör en stor teknisk utmaning, på grund av förluster från optiska kanaler, Professor Villoresi förklarade lagets resonemang för att fokusera på högomloppssatelliter i sin studie.

Han sa:"Den höga omloppshastigheten för satelliter med låg omloppsbana (LEO) är mycket effektiv för den globala täckningen men begränsar deras siktperioder från en enda markstation. Tvärtom, att använda satelliter i högre banor kan förlänga kommunikationstiden, når några timmar i fallet med GNSS.

"QC kan också erbjuda intressanta lösningar för GNSS-säkerhet för både satellit-till-jord- och inter-satellitlänkar, som skulle kunna tillhandahålla nya och ovillkorligt säkra protokoll för autentisering, integritet och konfidentialitet för utbytta signaler."

Dr Giuseppe Bianco, som är chef för den italienska rymdorganisationens Space Geodesy Center och medförfattare, sa:"Enskild fotonutbyte med en GNSS-satellit är ett viktigt resultat för både vetenskapliga och tillämpningsperspektiv. Det passar perfekt i den italienska färdplanen för Space Quantum Communications, och det är den senaste bedriften av vårt samarbete med University of Padua som går stadigt framåt sedan 2003."