Демонстрация представляет собой важный шаг к практическому QKD, основанному на созвездиях малых спутников, установке, которая считается одним из наиболее перспективных путей создания глобальной сети квантовой связи.

"QKD обеспечивает безусловную безопасность за счет использования одиночных фотонов для кодирования информации между двумя удаленными терминалами", - сказал член исследовательской группы Ченг-Чжи Пэн из Университета науки и техники Китая. "Разработанная нами компактная система может снизить затраты на внедрение QKD, сделав возможным использование небольших спутников".

Пэн и исследователи из других институтов Китая описывают свою новую систему и экспериментальные результаты в Оптика, журнал издательской группы Optica для высокоэффективных исследований. Они также обнаружили, что производительность QKD может быть повышена за счет создания сети спутников, вращающихся под разными углами или наклонами по отношению к экватору.

"Наша новая работа демонстрирует возможность создания наземно-космической сети QKD, основанной на компактной спутниковой полезной нагрузке в сочетании с группировками спутников с различными типами орбит", - сказал Пэн. "В ближайшем будущем этот тип системы QKD может быть использован в приложениях, требующих высокой безопасности, таких как государственные дела, дипломатия и финансы".

Сокращение системы QKD

QKD использует квантовые свойства света для генерации безопасных случайных ключей для шифрования и дешифрования данных. В предыдущей работе исследовательская группа продемонстрировала QKD со спутника на землю и межконтинентальные квантовые сети со спутниковой ретрансляцией с использованием спутника Micius. Однако система QKD, используемая на борту этого спутника, была громоздкой и дорогой. Размером с большой холодильник, система весила около 130 кг и потребляла 130 Вт мощности.

В рамках китайского плана quantum constellation исследователи стремились разработать и продемонстрировать более практичную космическую наземную сеть QKD. Для этого они разработали компактную полезную нагрузку, которая позволила космической лаборатории Tiangong-2 выступать в качестве спутникового терминала QKD. Полезная нагрузка QKD, состоящая из системы слежения, передатчика QKD и лазерного передатчика связи, весила около 60 кг, потребляла 80 Вт мощности и была размером примерно с две микроволновые печи.

"Эта полезная нагрузка была максимально интегрирована, чтобы уменьшить объем, вес и стоимость при одновременном достижении высокой производительности, необходимой для поддержки экспериментов QKD "космос-земля", - сказал Пэн. "Он также должен был быть очень прочным, чтобы выдерживать суровые условия, такие как сильная вибрация, испытываемая во время запуска, и экстремальный тепловой вакуум в космосе".

Исследователи провели в общей сложности 19 экспериментов QKD, в ходе которых безопасные ключи были успешно распределены между терминалом Космической лаборатории и четырьмя наземными станциями в 15 разных дней в период с октября 2018 по февраль 2019 года. Эти эксперименты проводились ночью, чтобы избежать влияния фонового шума при дневном свете.

Исследователи обнаружили, что орбита космической лаборатории со средним наклоном (~42°) допускала многократные пролеты над одной наземной станцией за одну ночь, что увеличивало количество ключей, которые можно было сгенерировать. Они также построили модель для сравнения производительности спутниковых сетей QKD с различными типами орбит. Они обнаружили, что объединение спутников со средней наклонной орбитой, таких как space lab, с солнечно-синхронной орбитой, проходящей над полярными регионами, обеспечивает наилучшую производительность.

Следующие шаги

В настоящее время исследователи работают над улучшением своей системы QKD за счет увеличения скорости и производительности системы QKD, снижения затрат и изучения возможности передачи QKD со спутника на землю в дневное время. "Эти усовершенствования позволили бы создать практическую квантовую группировку путем запуска нескольких низкоорбитальных спутников", - сказал Пэн. "Созвездие может быть объединено с квантовым спутником на средней и высокой орбитах и наземными оптоволоконными сетями QKD для создания интегрированной в космос и землю квантовой сети".

Хотя это и не часть этой работы, 27 июля в космос был успешно запущен еще меньший квантовый спутник, разработанный Национальной лабораторией Хэфэй и Университетом науки и техники Китая и другими исследовательскими институтами Китая. Этот спутник, известный как микро / наноспутник, весит около шестой части веса спутника Micius и содержит систему QKD, размер которой составляет примерно треть от размера, продемонстрированного в Оптика бумага. Этот спутник предназначен для проведения экспериментов QKD "спутник-земля" в режиме реального времени, что представляет собой еще один важный шаг к созданию недорогих и практичных квантовых спутниковых группировок.