[논문 리뷰] Ground test of satellite constellation based quantum communication

Sheng‐Kai Liao, Hai-Lin Yong외 23명|arXiv (Cornell University)|2016. 11. 30.

Quantum Information and Cryptography참고 문헌 1인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 1550 nm 파장과 초저잡음 업컨버전 검출기를 사용하여 53 km 거리에서 일광 조건 하의 자유공간 양자 키 분배를 구현함으로써 태양 복사 배경 노이즈를 극복하였다. 시스템은 48-dB 손실 채널을 통해 안정적인 키 분배를 달성하여 위성 기반 양자 통신의 일광 조건 하에서도 실현 가능함을 입증하였다.

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.

연구 동기 및 목표

• 장거리 자유공간 양자 통신에서 높은 태양 복사 배경 노이즈 문제를 해결한다.
• 현실적인 일광 조건 하에서 위성 기반 양자 통신의 실현 가능성을 입증한다.
• 1550 nm 통신 대역을 사용하여 기존의 섬유 기반 인프라와의 호환성을 확보한다.
• 직접 일광 조건에서 40–48 dB 손실 채널을 통해 안정적인 양자 키 분배를 달성한다. 이는 저궤도 위성 시스템에 필수적인 조건이다.
• 향후 대규모 양자 위성 기반 복합체의 구축을 지원할 수 있는 고가용성 링크를 확보하는 시스템 설계를 검증한다.

제안 방법

• 대기 투과 창문을 활용하고 짧은 파장 대비 태양 복사 배경 노이즈를 감소시키기 위해 1550.14 nm의 작동 파장을 사용하였다.
• 자유공간 단일모드 섬유 결합 기술을 적용하여 수신 광자를 효율적으로 광섬유로 유도하여 검출하였다.
• 어두운 카운트율이 100 kHz 이하인 초저잡음 업컨버전 단일광자 검출기를 도입하여 밝은 조건에서의 신호 대 노이즈 비율을 향상시켰다.
• 지상국 간 광학 링크의 거시적 및 정밀 추적을 위해 双빔 레이저 시스템(671 nm, 810 nm, 1548 nm)을 구현하였다.
• 실시간 빔 추적 및 정렬 보정을 위해 빠른 조절 거울(FSM)과 CMOS 영상 센서를 통합하였다.
• 양단에서 고정밀 광스펙트럼 분석기를 사용하여 정밀한 파장 캘리브레이션을 수행하였으며, 53 km 링크 동안 파장 정확도가 0.01 nm 이내로 유지되었다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 40 dB 이상의 손실을 겪는 자유공간 채널에서 일광 조건 하에서도 양자 키 분배를 달성할 수 있는가?
• RQ2 800 nm 대비 1550 nm 파장을 사용할 경우 태양 복사 배경 노이즈가 현저히 감소하는가?
• RQ3 초저잡음 업컨버전 단일광자 검출기가 밝은 일광 조건에서도 단일광자 검출을 가능하게 하는가?
• RQ4 자유공간 단일모드 섬유 결합이 위성 양자 네트워크에서 지상 섬유 인프라 통합을 위한 실현 가능하고 효율적인가?
• RQ5 정밀한 광학 추적 및 정렬 시스템이 대기 손실이 높은 일광 조건에서 53 km 거리에서 안정적인 링크를 유지할 수 있는가?

주요 결과

• 시스템은 48-dB 손실 채널을 통해 일광 조건에서 53 km 거리의 자유공간 양자 키 분배를 성공적으로 달성하였으며, 위성 기반 양자 통신의 실현 가능성을 입증하였다.
• 1550 nm 파장을 사용함으로써 800 nm 대비 태양 복사 배경 노이즈가 약 5배 감소하였으며, 이는 신호 대 노이즈 비율 향상에 기여하였다.
• 초저잡음 업컨버전 단일광자 검출기를 통해 어두운 카운트율이 100 kHz 이하로 유지되어 일광 조건에서의 운영에 필수적인 조건을 충족하였다.
• 자유공간 단일모드 섬유 결합 기술이 높은 효율성을 확보하여 기존의 섬유 기반 네트워크와의 원활한 통합이 가능함을 입증하였다.
• 53 km 링크 동안 정밀한 파장 캘리브레이션은 ±0.01 nm 이내로 유지되었으며, 이는 최적의 검출기 반응 및 시스템 안정성 확보에 기여하였다.
• 시스템은 위성에서 지구로의 양자 링크가 일광 조건에서도 효과적으로 작동할 수 있음을 입증하였으며, 저궤도 위성의 70%와 지구정차위성의 99%가 일광에 노출됨을 감안할 때 글로벌 네트워크의 확장 가능성도 검증하였다.