I ricercatori riportano una dimostrazione sperimentale di una rete QKD (Quantum Key Distribution) spazio-terra utilizzando un terminale QKD compatto a bordo del laboratorio spaziale cinese Tiangong-2 e quattro stazioni di terra. Il nuovo sistema QKD pesa meno della metà del sistema sviluppato dai ricercatori per il satellite Micius, che è stato utilizzato per eseguire la prima teleconferenza virtuale con crittografia quantistica al mondo.

La dimostrazione rappresenta un passo importante verso la pratica QKD basata su costellazioni di piccoli satelliti, una configurazione considerata una delle vie più promettenti per la creazione di una rete di comunicazione quantistica globale.

"QKD offre sicurezza incondizionata utilizzando singoli fotoni per codificare le informazioni tra due terminali distanti", ha affermato Cheng-Zhi Peng, membro del team di ricerca dell'Università di Scienza e Tecnologia della Cina. "Il sistema compatto che abbiamo sviluppato può ridurre i costi di implementazione della QKD rendendo possibile l'utilizzo di piccoli satelliti."

Peng e ricercatori di altre istituzioni cinesi descrivono il loro nuovo sistema e i risultati sperimentali in Optica . Hanno anche scoperto che le prestazioni del QKD possono essere potenziate costruendo una rete di satelliti in orbita con diverse angolazioni, o inclinazioni, rispetto all'equatore.

"Il nostro nuovo lavoro dimostra la fattibilità di una rete QKD spazio-terra basata su un carico utile satellitare compatto combinato con costellazioni di satelliti con diversi tipi di orbita", ha affermato Peng. "Nel prossimo futuro, questo tipo di sistema QKD potrebbe essere utilizzato in applicazioni che richiedono un'elevata sicurezza come gli affari governativi, la diplomazia e la finanza."

Ridurre il sistema QKD

QKD utilizza le proprietà quantistiche della luce per generare chiavi casuali sicure per crittografare e decrittografare i dati. In un lavoro precedente, il gruppo di ricerca ha dimostrato la QKD satellite-terra e le reti quantistiche intercontinentali trasmesse da satellite utilizzando il satellite Micius. Tuttavia, il sistema QKD utilizzato a bordo di quel satellite era ingombrante e costoso. Grande quanto un grande frigorifero, il sistema pesava circa 130 kg e richiedeva 130 W di potenza.

Nell'ambito del piano di costellazione quantistica della Cina, i ricercatori hanno cercato di sviluppare e dimostrare una rete QKD spazio-terra più pratica. Per fare ciò, hanno sviluppato un carico utile compatto che ha permesso al Tiangong-2 Space Lab di fungere da terminale QKD satellitare. Il carico utile QKD, costituito da un sistema di localizzazione, un trasmettitore QKD e un trasmettitore di comunicazione laser, pesava circa 60 kg, richiedeva 80 W di potenza e misurava all'incirca le dimensioni di due forni a microonde.

"Questo carico utile è stato il più integrato possibile per ridurre volume, peso e costi ottenendo al contempo le elevate prestazioni necessarie per supportare gli esperimenti QKD spazio-terra", ha affermato Peng. "Doveva anche essere molto resistente per resistere a condizioni difficili, come le forti vibrazioni sperimentate durante il lancio e l'ambiente di vuoto termico estremo dello spazio."

I ricercatori hanno eseguito un totale di 19 esperimenti QKD durante i quali le chiavi di sicurezza sono state distribuite con successo tra il terminal Space Lab e quattro stazioni di terra in 15 giorni diversi tra ottobre 2018 e febbraio 2019. Questi esperimenti sono stati condotti di notte per evitare l'influenza del rumore di fondo della luce del giorno .

I ricercatori hanno scoperto che l'orbita di inclinazione media (~42°) del laboratorio spaziale consentiva più passaggi su una singola stazione terrestre in una notte, aumentando il numero di chiavi che potevano essere generate. Hanno anche costruito un modello per confrontare le prestazioni delle reti QKD basate su satellite con diversi tipi di orbita. Hanno scoperto che la combinazione di satelliti con un'orbita a media inclinazione come il laboratorio spaziale con un'orbita sincrona con il sole che viaggia sulle regioni polari ha ottenuto le migliori prestazioni.

Passaggi successivi

I ricercatori stanno ora lavorando per migliorare il loro sistema QKD aumentando la velocità e le prestazioni del sistema QKD, riducendo i costi ed esplorando la fattibilità della trasmissione QKD da satellite a terra durante il giorno. "Questi miglioramenti permetterebbero di creare una costellazione quantistica pratica lanciando più satelliti a bassa orbita", ha affermato Peng. "La costellazione potrebbe essere combinata con un satellite quantistico di orbita medio-alta e reti QKD basate su fibra a terra per creare una rete quantistica integrata spazio-terra".

Sebbene non faccia parte di questo lavoro, il 27 luglio è stato lanciato con successo nello spazio un satellite quantistico ancora più piccolo sviluppato da Hefei National Laboratory e University of Science and Technology of China e altri istituti di ricerca in Cina. Questo satellite, noto come micro/nano satellite , pesa circa un sesto del peso del satellite Micius e contiene un sistema QKD che è circa un terzo delle dimensioni di quello dimostrato nell'Optica carta. Quel satellite è progettato per eseguire esperimenti QKD satellite-terra in tempo reale, rappresentando un altro passo importante verso costellazioni di satelliti quantistici pratici e a basso costo. + Esplora ulteriormente

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