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量子上行鏈路為衛(wèi)星通信提供“藍(lán)圖”

時間:2017-06-19 13:52:12 來源:
   他們在地面站發(fā)出的七次信號中生成了一個量子信號鏈接,設(shè)法提取出了“不可破解”的量子密鑰,并成功譯出了七個信號中的六個。
   研究團(tuán)隊的領(lǐng)導(dǎo)者Thomas Jennewein聲稱,在經(jīng)過了八年的準(zhǔn)備之后,這次的實驗結(jié)果使得衛(wèi)星量子通信技術(shù)邁出了極其重要的一步。
量子傳輸:Christopher Pugh在“雙水獺飛機(jī)”(Twin Otter plane)上安裝用于量子密鑰分配(QKD)上行實驗的接收器單元。照片來源:加拿大國家科學(xué)研究委員會(NRC)。
   加拿大的研究團(tuán)隊稱,他們剛剛完成了機(jī)載接收機(jī)的原理證明,這使得基于量子光子學(xué)的高安全性光衛(wèi)星鏈路成為可能。
   盡管量子密鑰分配(QKD)是一種使用單個光子的偏振或相位來保證信息安全的加密方法——該方法已經(jīng)在機(jī)載平臺上得到了驗證,加拿大滑鐵盧大學(xué)的科學(xué)家率先將量子密鑰從地面?zhèn)鬏數(shù)搅税惭b在飛機(jī)上的接收器。
    hristopher Pugh及其同事在《量子科技》雜志發(fā)表的一篇論文中聲稱,在本次實驗中,地面發(fā)射站共向雙水獺飛機(jī)上的接收器發(fā)射了14次信號。
   “實驗終于證明了我們的技術(shù)是可行的,”他說,“我們在地面與和低地球軌道衛(wèi)星的角速度相同的機(jī)載平臺之間建立了光學(xué)鏈路,并且在地面站與飛機(jī)之間的信道能夠在十秒內(nèi)建立通信鏈路?!?/div>
    “光學(xué)鏈路在幾分鐘時間內(nèi),傳輸了長達(dá)868 kb的安全密鑰,接收到的量子位錯誤率在3%到5%之間?!?/div>
衛(wèi)星通信藍(lán)圖
    Jennewein認(rèn)為,量子通信的基本概念是正確的,這次實驗為未來的衛(wèi)星量子加密通信技術(shù)提供了一幅“藍(lán)圖”。
事實上,加拿大政府正在著手研究該技術(shù)。4月份,加拿大創(chuàng)新、科學(xué)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展部宣布計劃開發(fā)量子技術(shù)的太空應(yīng)用——在未來五年內(nèi),將進(jìn)一步增加8100萬美元的計劃。
    該計劃的參與者滑鐵盧量子計算研究所說:“加拿大將通過該計劃成為量子加密技術(shù)的領(lǐng)頭羊,量子加密將采用高度先進(jìn)的計算技術(shù)來創(chuàng)建幾乎不可破解的安全代碼?!?/div>
    雖然QKD方法已經(jīng)出現(xiàn)了數(shù)十年時間,并且已經(jīng)在金融和軍事領(lǐng)域中得到了初步應(yīng)用,但是該方法仍然受到一些物理限制。
    然而,加拿大太空局和美國霍尼韋爾航空航天集團(tuán)(Honeywell Aerospace)在量子加密和科學(xué)衛(wèi)星(QEYSSat)任務(wù)中提出,與建立下行鏈路相比,建立QKD上行鏈路的一部分難度在于大氣湍流會影響QKD鏈路的早期傳輸。
   因此,到目前為止,所有機(jī)載QKD實驗均是基于下行鏈路的,即將量子密鑰從機(jī)載平臺發(fā)送到固定的地面接收機(jī)。
滑鐵盧大學(xué)研究員Christopher Pugh解釋說:“地基QKD系統(tǒng)使用光纖鏈路,由于光纖的吸收損耗,系統(tǒng)的范圍被限制在幾百公里的距離,因為隨著距離的增加,光纖損耗將呈指數(shù)型增長?!?a href="http://m.yuzhongbz.com" target="_blank">ADSS光纜
   自由空間光學(xué)鏈路也被證明可以與移動接收設(shè)備配合工作,但是大氣吸收和湍流以及對傳播介質(zhì)的要求將傳輸范圍限制在“僅僅”數(shù)百公里。
Pugh表示:“借助衛(wèi)星系統(tǒng),量子通信將擴(kuò)展到全球范圍?!?/div>
  785 nm波長傳輸
   為了最大限度地減少光噪聲影響,在兩次夜間的飛行實驗期間,滑鐵盧研究團(tuán)隊將QKD鏈路建立在785 nm波長的激光,該激光是由1550 nm和1590 nm的激光在周期極化的氧化鎂波導(dǎo)中通過和頻技術(shù)產(chǎn)生的。ADSS光纜
   激光通過兩個相位調(diào)制器產(chǎn)生四種不同的偏振態(tài),并將這些信號通過折射望遠(yuǎn)鏡傳輸出去。
   信號到達(dá)機(jī)載接收器平臺后由另一個折射望遠(yuǎn)鏡接收,并通過分束器和光纖系統(tǒng)被引導(dǎo)到檢測器模塊。
  “總共14架飛機(jī)中,有7架成功與地面站建立了量子信號鏈路。”該團(tuán)隊補充說,經(jīng)過第一天檢修了一些設(shè)備,第二天的七次實驗中有五次成功。
  在與地面接收機(jī)建立的七次鏈接中,飛機(jī)均以高達(dá)260km/h的速度飛行,該團(tuán)隊成功傳輸了六次量子密鑰。
  “我們的指向和跟蹤系統(tǒng)能夠建立和維護(hù)一個具有3km~10km距離的毫度精度的光學(xué)鏈路,而BB84協(xié)議的誘餌狀態(tài)信號(即四個不同的偏振狀態(tài))通過信道發(fā)送到以低地球軌道衛(wèi)星的角速度飛行的機(jī)載平臺上?!彼麄冊谡撐牡慕Y(jié)論稱。
“我們的系統(tǒng)演示了上行鏈路(QKD)衛(wèi)星任務(wù)的可行性。QKD衛(wèi)星接收機(jī)的核心量子部件已被證明能夠完成航天通信任務(wù)?!?/div>
  衛(wèi)星準(zhǔn)備好了嗎?ADSS光纜
   量子技術(shù)的新興領(lǐng)域以及光子學(xué)扮演的關(guān)鍵角色將成為本月即將在慕尼黑開幕的全球光電展上成為焦點。
主辦方慕尼黑展覽公司表示,德國通快公司(Trumpf)的Peter Leibinger和德國Toptica公司首席執(zhí)行官Wilhelm Kaenders都將就量子技術(shù)這一話題進(jìn)行介紹,而來自德國烏爾姆大學(xué)的Tommaso Calarco將向與會者介紹一項以量子技術(shù)為中心的擁有龐大預(yù)算的歐洲研究計劃。
值得注意的是,滑鐵盧大學(xué)的QKD接收機(jī)使用了許多“適合太空飛行”的組件,而其他組件則具有明確的衛(wèi)星搭載開發(fā)計劃。他們稱,這是為了在QKD衛(wèi)星上建立量子通信鏈路所做的技術(shù)準(zhǔn)備。ADSS光纜
   除了加拿大,世界上還有許多國家在研究量子空間通信鏈接。2016年8月,中國發(fā)射了一顆“量子科學(xué)衛(wèi)星”,并將進(jìn)行量子通信鏈路實驗。
根據(jù)當(dāng)時的《自然》雜志報道,中國計劃在兩年內(nèi)制造能產(chǎn)生成對糾纏光子的晶體,將量子密鑰從衛(wèi)星發(fā)送到地面站。
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