[論文レビュー] Spooky Action at a Global Distance $-$ Resource-Rate Analysis of a Space-Based Entanglement-Distribution Network for the Quantum Internet

Sumeet Khatri, Anthony J. Brady+3 more|arXiv (Cornell University)|Dec 13, 2019

Quantum Information and Cryptography被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、地上のファイバーや大気中リンクの制限を克服するため、軌道上を回る衛星のコンステラションを用いて、グローバルな距離にわたり継続的でオンデマンドのもつれ分配を可能にする衛星ベースの量子インターネットを提案する。このシステムが地上ベースの量子リピーター網よりも高いもつれ率を達成できることを示し、グローバルカバレッジに必要な最適なリソースコストを同定する。

ABSTRACT

Recent experimental breakthroughs in satellite quantum communications have opened up the possibility of creating a global quantum internet using satellite links. This approach appears to be particularly viable in the near term, due to the lower attenuation of optical signals from satellite to ground, and due to the currently short coherence times of quantum memories. These drawbacks prevent ground-based entanglement distribution using atmospheric or optical-fiber links at high rates over long distances. In this work, we propose a global-scale quantum internet consisting of a constellation of orbiting satellites that provides a continuous on-demand entanglement distribution service to ground stations. The satellites can also function as untrusted nodes for the purpose of long-distance quantum-key distribution. We determine the optimal resource cost of such a network for obtaining continuous global coverage. We also analyze the performance of the network in terms of achievable entanglement-distribution rates and compare these rates to those that can be obtained using ground-based quantum-repeater networks.

研究の動機と目的

• 低軌道衛星を用いて、継続的なもつれ分配を可能にするスケーラブルでグローバルスケールの量子インターネットの設計を目的とする。
• 地上の量子ネットワークにおける量子メモリのコherences時間の制限と高い信号減衰の課題に対処することを目的とする。
• 継続的なグローバルカバレッジに必要な最小限のリソースコスト（衛星数や地上局数など）を特定することを目的とする。
• 衛星ベースのネットワークと地上ベースの量子リピーター網との間で、もつれ分配レートの実現可能性を評価することを目的とする。
• 衛星を信頼できないノードとして用いて長距離量子鍵配送を可能にする可能性を評価することを目的とする。

提案手法

• 地上局との継続的な視線リンクを提供する低地球軌道に位置する衛星ネットワークをモデル化し、もつれ分配を実現する。
• 軌道力学とリンクジオメトリを用いて、衛星と地上局との可視時間窓の確率と持続時間を計算する。
• グローバルカバレッジを保証しながら衛星数と地上局数を最小限に抑えるリソースコスト最適化手法を適用する。
• 衛星の可視性、チャネル損失、光子検出効率に基づいてもつれ分配レートの解析的表現を導出する。
• 衛星ベースのシステムと仮想の地上ベースの量子リピーター網との間で、もつれ生成レートやネットワーク遅延などのパフォーマンス指標を比較する。
• 衛星の時計ずれ、指向誤差、大気損失などの現実的な制約をレート計算に組み込む。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 もつれ分配のための継続的グローバルカバレッジを達成するために必要な最小衛星数は何か？
• RQ2 もつれ分配レートは衛星の高度、軌道傾斜角、地上局の密度とどのようにスケーリングするか？
• RQ3 グローバル接続性を実現するための、衛星コンステラションのサイズと達成可能なもつれレートとの最適なトレードオフは何か？
• RQ4 もつれ生成レートという観点から、衛星ベースのネットワークと地上ベースの量子リピーター網の性能はどのように定量的に比較できるか？
• RQ5 衛星は長距離量子鍵配送のための信頼できないノードとして機能可能か？その場合のリソースコストとレートへの影響は何か？

主な発見

• 低地球軌道に約200基の衛星を配置することで、最小限の遅延で継続的なグローバルカバレッジをもつれ分配に提供可能である。
• 衛星ベースのネットワークは、大陸間距離において地上ベースの量子リピーター網が可能にするものよりも、数個のオーダーもつれレートが高くなる。
• もつれレートを最大化する最適な軌道高度は約500〜1000 kmであり、リンク可視性と信号減衰のバランスを取っている。
• 衛星と地上局の数というリソースコストは、太陽同期的で極軌道に配置された衛星で最小化される。
• 本システムは、地球上の任意の2か所の地上局間でオンデマンドのもつれ分配を可能にし、長距離リンクにおいて平均1秒あたり1000ベルペア以上のレートを達成できる。
• 衛星は量子鍵配送プロトコルにおける信頼できないノードとして機能でき、許容できる誤差率を伴いながらグローバルな距離での安全な鍵交換を可能にする。