Kompakt QKD sistemi, uygun maliyetli uydu tabanlı kuantum ağlarının yolunu açıyor

Araştırmacılar, Çin Uzay Laboratuvarı Tiangong-2 ve dört yer istasyonunda kompakt bir QKD terminali kullanan bir uzaydan yere kuantum anahtar dağıtım (QKD) ağının deneysel bir gösterimini bildirdiler. Yeni QKD sistemi, araştırmacıların dünyanın ilk kuantum şifreli sanal telekonferansını gerçekleştirmek için kullanılan Micius uydusu için geliştirdiği sistemin ağırlığının yarısından daha az.

Gösteri, küresel bir kuantum iletişim ağı oluşturmanın en umut verici yollarından biri olarak kabul edilen bir kurulum olan küçük uyduların takımyıldızlarına dayanan pratik QKD’ye doğru önemli bir adımı temsil ediyor.

Çin Bilim ve Teknoloji Üniversitesi’nden araştırma ekibi üyesi Cheng-Zhi Peng, “QKD, iki uzak terminal arasındaki bilgileri kodlamak için tek fotonları kullanarak koşulsuz güvenlik sunuyor” dedi. “Geliştirdiğimiz kompakt sistem, küçük uyduların kullanılmasını mümkün kılarak QKD uygulama maliyetini azaltabilir.”

Peng ve Çin’deki diğer kurumlardan araştırmacılar, yeni sistemlerini ve deneysel sonuçlarını şu şekilde açıklıyor: optik. Ayrıca, ekvatorla ilişkili olarak farklı açılarda veya eğimlerde yörüngede dönen bir uydu ağı oluşturarak QKD performansının artırılabileceğini buldular.

Peng, “Yeni çalışmamız, farklı yörünge türlerine sahip uydu takımyıldızları ile birleştirilmiş kompakt bir uydu yüküne dayanan bir uzay-yer QKD ağının fizibilitesini gösteriyor” dedi. “Yakın gelecekte bu tip QKD sistemi devlet işleri, diplomasi ve finans gibi yüksek güvenlik gerektiren uygulamalarda kullanılabilir.”

QKD sistemini küçültmek

QKD, verileri şifrelemek ve şifresini çözmek için güvenli rastgele anahtarlar oluşturmak için ışığın kuantum özelliklerini kullanır. Daha önceki çalışmada, araştırma grubu, Micius uydusunu kullanarak uydudan yere QKD ve uydu tarafından aktarılan kıtalararası kuantum ağlarını gösterdi. Ancak, o uyduda kullanılan QKD sistemi hantal ve pahalıydı. Yaklaşık büyük bir buzdolabı boyutunda olan sistem, yaklaşık 130 kg ağırlığındaydı ve 130 W güç gerektiriyordu.

Çin’in kuantum takımyıldızı planının bir parçası olarak, araştırmacılar daha pratik bir uzay-yer QKD ağı geliştirmeye ve göstermeye çalıştılar. Bunu yapmak için, Tiangong-2 Uzay Laboratuvarı’nın bir uydu QKD terminali olarak hareket etmesine izin veren kompakt bir yük geliştirdiler. Bir izleme sistemi, QKD vericisi ve bir lazer iletişim vericisinden oluşan QKD yükü, yaklaşık 60 kg ağırlığındaydı, 80 W güç gerektiriyordu ve yaklaşık iki mikrodalga fırın boyutunda ölçüldü.

Peng, “Bu yük, uzaydan yere QKD deneylerini desteklemek için gerekli yüksek performansı elde ederken hacmi, ağırlığı ve maliyeti azaltmak için mümkün olduğunca entegre edildi” dedi. “Ayrıca, fırlatma sırasında yaşanan şiddetli titreşim ve uzayın aşırı termal vakum ortamı gibi zorlu koşullara dayanabilmesi için çok dayanıklı olması gerekiyordu.”

Araştırmacılar, Ekim 2018 ile Şubat 2019 arasında 15 farklı günde, Uzay Laboratuvarı terminali ile dört yer istasyonu arasında güvenli anahtarların başarıyla dağıtıldığı toplam 19 QKD deneyi gerçekleştirdi. Bu deneyler, gün ışığı arka plan gürültüsünün etkisinden kaçınmak için gece yapıldı. .

Araştırmacılar, uzay laboratuvarının orta (~42°) eğimli yörüngesinin, bir gecede tek bir yer istasyonu üzerinden birden fazla geçişe izin verdiğini ve bu da üretilebilecek anahtar sayısını artırdığını buldu. Ayrıca uydu tabanlı QKD ağlarının performansını farklı yörünge türleriyle karşılaştırmak için bir model oluşturdular. Uzay laboratuvarı gibi orta eğimli bir yörüngeye sahip uyduları, kutup bölgeleri üzerinde seyahat eden güneşle eş zamanlı bir yörüngeyle birleştirmenin en iyi performansı elde ettiğini buldular.

Sonraki adımlar

Araştırmacılar şimdi QKD sisteminin hızını ve performansını artırarak, maliyeti düşürerek ve gündüz uydudan yere QKD iletiminin fizibilitesini keşfederek QKD sistemlerini geliştirmek için çalışıyorlar. Peng, “Bu iyileştirmeler, birden fazla düşük yörüngeli uyduyu fırlatarak pratik bir kuantum takımyıldızının oluşturulmasına izin verecek” dedi. “Takımyıldız, uzay-yer-entegre bir kuantum ağı oluşturmak için orta-yüksek yörüngeli bir kuantum uydusu ve yerdeki fiber tabanlı QKD ağları ile birleştirilebilir.”

Bu çalışmanın bir parçası olmasa da, Hefei Ulusal Laboratuvarı ve Çin Bilim ve Teknoloji Üniversitesi ve Çin’deki diğer araştırma enstitüleri tarafından geliştirilen daha da küçük bir kuantum uydusu 27 Temmuz’da başarılı bir şekilde uzaya fırlatıldı. Mikro/nano uydu olarak bilinen bu uydu , Micius uydusunun ağırlığının yaklaşık altıda biri ağırlığındadır ve gösterilen boyutun yaklaşık üçte biri kadar olan bir QKD sistemi içerir. optik kağıt. Bu uydu, düşük maliyetli ve pratik kuantum uydu takımyıldızlarına yönelik bir başka önemli adımı temsil eden, gerçek zamanlı uydudan yere QKD deneyleri yapmak üzere tasarlanmıştır.