[論文レビュー] Ground test of satellite constellation based quantum communication

Sheng‐Kai Liao, Hai-Lin Yong+23 more|arXiv (Cornell University)|Nov 30, 2016

Quantum Information and Cryptography参考文献 1被引用数 5

ひとこと要約

本論文では、1550 nm波長と超低ノイズアップコンバージョン検出器を用いて、53 kmの昼間の自由空間量子鍵配送（QKD）を実証した。太陽背景ノイズを克服し、48 dBの損失を伴うチャネルを介して安全な鍵配布を達成した。これは、昼間の条件でも衛星コンステレーションベースの量子通信が実現可能であることを示している。

ABSTRACT

Satellite based quantum communication has been proven as a feasible way to achieve global scale quantum communication network. Very recently, a low-Earth-orbit (LEO) satellite has been launched for this purpose. However, with a single satellite, it takes an inefficient 3-day period to provide the worldwide connectivity. On the other hand, similar to how the Iridium system functions in classic communication, satellite constellation (SC) composed of many quantum satellites, could provide global real-time quantum communication. In such a SC, most of the satellites will work in sunlight. Unfortunately, none of previous ground testing experiments could be implemented at daytime. During daytime, the bright sunlight background prohibits quantum communication in transmission over long distances. In this letter, by choosing a working wavelength of 1550 nm and developing free-space single-mode fibre coupling technology and ultralow noise up-conversion single photon detectors, we overcome the noise due to sunlight and demonstrate a 53-km free space quantum key distribution (QKD) in the daytime through a 48-dB loss channel. Our system not only shows the feasibility of satellite based quantum communication in daylight, but also has the ability to naturally adapt to ground fibre optics, representing an essential step towards a SC-based global quantum network.

研究の動機と目的

• 長距離の自由空間量子通信における昼間の高レベルな太陽背景ノイズの課題を克服すること。
• 現実的な昼間条件において、衛星コンステレーションベースの量子通信の実現可能性を実証すること。
• 1550 nmの通信帯を用いることで、既存のファイバーオプティクスインfraに互換性を持たせること。
• 直接日光下において40–48 dBの損失を伴うチャネルを通じて安全な量子鍵配布を達成すること。これは、低地球軌道（LEO）衛星システムにとって重要な要件である。
• 将来の大規模な量子衛星コンステレーションの展開を可能にする、高いリンク稼働率を実現するシステム設計を検証すること。

提案手法

• 大気透過窓を活用し、短波長よりも太陽背景ノイズを低減するため、1550.14 nmの作動波長を採用した。
• 自由空間における単モードファイバーコアリング技術を用いて、ダウンリンク光子を効率的に光ファイバーに結合し、検出を可能にした。
• ダークカウントレートが100 kHz未塔の超低ノイズアップコンバージョン単一光子検出器を採用し、明るい環境下での信号対ノイズ比を向上させた。
• 地上局間の光学リンクの粗追跡および精密追跡を実現するため、二重ビーコンレーザーシステム（671 nm、810 nm、1548 nm）を導入した。
• 高速ステアリングミラー（FSM）とCMOSイメージングセンサーを統合し、リアルタイムでのビーム追跡およびアライメント補正を実現した。
• 両端で高精度な光スペクトルアナライザーを用いて正確な波長キャリブレーションを実施し、53 kmのリンクで0.01 nm未塔の精度を維持した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 40 dB以上の損失を伴う自由空間チャネルを介して、昼間の状態でも量子鍵配布が可能か？
• RQ2 800 nm帯と比較して、1550 nm波長を用いることで、太陽背景ノイズが著しく低減するか？
• RQ3 超低ノイズアップコンバージョン検出器は、明るい日差しの下でも単一光子検出を可能にするか？
• RQ4 自由空間における単モードファイバー結合は、衛星量子ネットワークにおける地上ファイバー統合を支えるのに実用的で十分な効率を持つか？
• RQ5 正確な光学追跡およびアライメントシステムは、大気損失が著しい昼間の状態でも、53 kmの距離で安定したリンクを維持できるか？

主な発見

• 本システムは、48 dBの損失を伴うチャネルを介して、昼間の状態で53 kmの自由空間QKDを実現した。これは、衛星コンステレーションベースの量子通信の実現可能性を示している。
• 1550 nm波長の使用により、800 nmシステムと比較して太陽背景ノイズが約5分の1に低減され、信号対ノイズ比が著しく向上した。
• 超低ノイズアップコンバージョン単一光子検出器により、ダークカウントレートが100 kHz未塔の範囲で単一光子検出が可能となり、昼間運用に不可欠な性能を達成した。
• 自由空間における単モードファイバー結合は高い効率を示し、既存のファイバーネットワークへのシームレスな統合を可能にした。
• 53 kmのリンクにおいて、波長キャリブレーションが±0.01 nmの範囲で維持され、最適な検出器応答とシステム安定性を確保した。
• 本システムは、衛星から地上への量子リンクが日差しの下でも効果的に動作可能であることを実証した。LEO衛星の70%およびGEO衛星の99%が日差しを受ける状況を想定し、グローバルネットワークへのスケーラビリティを裏付けた。