微卫星空间量子通信-更安全的防窃听通信技术

据悉,在低地球轨道运行的被称为SOCRATES的微卫星和光学地面站(OGS)之间进行的量子限制通信实验中,研究人员能够从卫星上的小型轻量级量子通信发射器检测通信信号。该名为SOTA的发射器以每小时7公里的速度从600公里(约37英里)的高度以每秒1000万比特的速度传输激光信号。

上述卫星信息是通过来自位于日本小金井市的OGS进行接收的。这些信号通过1米望远镜在OGS处接收,该望远镜用于收集所发射的光子并将其引导到量子接收器。同时使用量子密钥分配(QKD)协议对信息进行了解码。

这项在国家信息和通信技术研究所(NICT)进行的研究表明,可以用小型、低成本的卫星实现卫星量子通信。SOCRATES是一个重达50公斤的卫星。而该名为SOTA的发射器重6公斤。

由于激光束的发散以及望远镜收集光子的孔径有限,从SOTA传输的信号遭受了巨大损失,大多数传输的光子在到达接收器之前就已经丢失。另外,许多光子被分散并被大气所吸收。结果,到达OGS的信号非常弱,每个脉冲平均携带少于0.1个光子。

由于这种弱信号不能通过常规光电检测器来检测,所以量子接收器使用了光子计数器 - 可以检测单个光子的极其敏感的检测器。这样一来就实现了比传统的卫星光通信更有效的通信。此外,通过使用每个脉冲具有少于一个光子的信号,量子加密将实现对窃听的监测。

量子状态由具有四个光子计数器的接收器区分,其量子误码率低于百分之五,表明该技术对卫星对地面激光通信和QKD的适用性。这项研究表明,长距离通信可以在电力极低的情况下实现,可以为航天探索进行深空光通信提供新的途径。

研究人员计划提高传输速度以及跟踪技术的精度。最终目标是通过使用量子密码学来最大限度地提高从空间到地面的安全密钥交付。反过来,随着量子计算机技术的进步,这将使得全球安全通信网络能够抵御来自量子计算机的未来潜在的安全威胁。

该研究发表在《Nature Photonics》上。(文/Oscar译)