[论文解读] 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 5

一句话总结

本论文展示了在53公里距离上使用1550纳米波长和超低噪声上变频探测器实现白天自由空间量子密钥分发，成功克服了太阳背景噪声。该系统通过48 dB损耗信道实现了安全密钥分发，证明了在白天条件下基于卫星星座的量子通信的可行性。

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.

研究动机与目标

• 克服长距离自由空间量子通信在白天面临的高太阳背景噪声挑战。
• 在真实白天条件下，证明基于卫星星座的量子通信的可行性。
• 通过使用1550纳米通信波段，实现与现有光纤基础设施的兼容性。
• 在直接阳光照射下，通过40–48 dB损耗信道实现安全的量子密钥分发，这是低地球轨道卫星系统的关键要求。
• 验证一种支持未来大规模量子卫星星座部署、具备高链路可用性的系统设计方案。

提出的方法

• 采用1550.14纳米工作波长，利用大气透射窗口，与较短波长相比显著降低太阳背景噪声。
• 采用自由空间单模光纤耦合技术，高效地将下行光子耦合进光纤以供探测。
• 部署暗计数率低于100 kHz的超低噪声上变频单光子探测器，提升明亮环境下的信噪比。
• 采用双信标激光系统（671 nm、810 nm、1548 nm）实现地面站之间光链路的粗跟踪与精跟踪。
• 集成快速转向镜（FSM）和CMOS成像传感器，实现光束的实时跟踪与对准校正。
• 在两端使用高精度光谱分析仪对波长进行精确校准，确保53公里链路中波长校准精度达到±0.01 nm以内。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在自由空间信道中实现超过40 dB损耗的白天量子密钥分发？
• RQ2 与700–800 nm系统相比，使用1550 nm波长是否显著降低太阳背景噪声？
• RQ3 超低噪声上变频探测器能否在强阳光条件下实现单光子探测？
• RQ4 自由空间单模光纤耦合技术是否具备足够的可行性与效率，以支持卫星量子网络中的地面-光纤集成？
• RQ5 精确的光跟踪与对准系统能否在白天高大气损耗条件下，稳定维持53公里距离的链路？

主要发现

• 该系统在48 dB损耗信道中实现了53公里自由空间量子密钥分发，成功验证了基于卫星星座的量子通信在白天的可行性。
• 使用1550 nm波长使太阳背景噪声较800 nm波长降低约5倍，显著提升了信噪比。
• 超低噪声上变频单光子探测器实现了低于100 kHz的暗计数率，对白天运行至关重要。
• 自由空间单模光纤耦合实现了高效率，支持与现有光纤网络的无缝集成。
• 53公里链路中波长校准精度保持在±0.01 nm以内，确保探测器响应最优及系统稳定性。
• 该系统证明，卫星到地面的量子链路可在阳光照射下有效运行，其中70%的LEO卫星和99%的GEO卫星处于阳光照射下，验证了向全球网络扩展的可行性。