[论文解读] Space-QUEST: Experiments with quantum entanglement in space

Rupert Ursin, Thomas Jennewein+37 more|Springer Link (Chiba Institute of Technology)|Jun 5, 2008

Quantum Mechanics and Applications被引用 14

一句话总结

Space-QUEST 提出在国际空间站上搭载空间量子通信有效载荷，以实现长距离量子纠缠实验和全球量子密钥分发。通过同时向两个地面站传输纠缠光子对的下行链路，该任务旨在测试超过1000公里的量子非定域性，并在量子通信中实现无条件安全性，成为首次在跨洲际距离上进行空间基纠缠实验。

ABSTRACT

The European Space Agency (ESA) has supported a range of studies in the field of quantum physics and quantum information science in space for several years, and consequently we have submitted the mission proposal Space-QUEST (Quantum Entanglement for Space Experiments) to the European Life and Physical Sciences in Space Program. We propose to perform space-to-ground quantum communication tests from the International Space Station (ISS). We present the proposed experiments in space as well as the design of a space based quantum communication payload.

研究动机与目标

• 通过在太空中执行长距离纠缠实验，检验量子力学在宏观尺度下的有效性。
• 在超过1000公里的距离上实现量子密钥分发（QKD），这一距离在地球上由于大气和光纤损耗而无法实现。
• 开发一种空间载荷量子收发器，能够同时向地面站发送纠缠光子和弱激光脉冲。
• 通过将低地球轨道卫星作为量子网络中的可信节点，实现全球规模的量子通信。
• 研究相对论效应以及潜在的引力效应如何影响量子纠缠。

提出的方法

• 利用国际空间站（ISS）作为搭载纠缠光子源、单光子探测器和诱骗态激光器的量子通信有效载荷平台。
• 通过光学下行链路，将纠缠光子对同时从国际空间站传输至相距超过1000公里的两个地面站。
• 对接收的光子对执行贝尔不等式检验，以验证在跨洲际距离上的量子非定域性和纠缠保真度。
• 实施两步密钥分发协议：首先在卫星与每个地面站之间生成安全密钥，然后通过经典公开通信（例如按位异或）将密钥合并，从而在地面站之间生成共享的保密密钥。
• 利用现有的空间光学基础设施（如马泰拉激光测距站）模拟并验证量子下行链路性能。
• 在量子信道旁集成高带宽经典通信链路（最高速率达数吉比特每秒），以支持混合量子-经典通信系统。

实验结果

研究问题

• RQ1 在空间-地面量子信道中，超过1000公里距离下，量子纠缠是否能够保持并被验证？
• RQ2 在低地球轨道中，相对论效应在多大程度上影响纠缠系统中测量结果的时间和因果性？
• RQ3 空间基量子收发器是否能够在跨洲际距离上实现量子密钥分发的无条件安全性？
• RQ4 在轨道中经历长时间传播和高相对速度时，宏观尺度量子系统的行为如何？
• RQ5 通过密钥中继协议，将卫星用作可信节点以实现可扩展量子网络的可行性如何？

主要发现

• Space-QUEST 计划首次在跨洲际距离上实现对量子非定域性的实验检验，距离超过1000公里，这一距离在地面系统中由于光子损耗而不可行。
• 国际空间站向两个地面站同时进行下行链路，使得通过卫星中介密钥的经典后处理，可在地面站之间生成共享的、无条件安全的量子密钥。
• 利用自由空间激光链路（144公里，拉帕尔马至特内里费）以及通过阿吉赛卫星反射器模拟的卫星下行链路，已成功开展原理验证实验，证明了在空间相关条件下单光子的传输与探测。
• 已开发并验证了一种紧凑、低功耗、高效率的基于非线性晶体的纠缠光子源，适用于空间有效载荷集成。
• 任务设计同时支持量子通信与高速经典通信，可在多吉比特每秒速率下实现混合量子-经典数据传输。
• 任务路线图计划于2014年底发射，由来自10个国家的27名研究人员组成的专题团队支持技术与科学研发。