NCT ha sviluppato il trasmettitore di comunicazione quantistica (SOTA) più piccolo e leggero al mondo a bordo del microsatellite SOCRATES. Siamo riusciti a dimostrare il primo esperimento di comunicazione quantistica dallo spazio, ricevere informazioni dal satellite in regime di singolo fotone in una stazione terrestre ottica nella città di Koganei. SOTA pesa 6 kg e la sua dimensione è di 17,8 cm di lunghezza, Larghezza 11,4 cm e altezza 26,8 cm. Trasmette a terra un segnale laser a una velocità di 10 milioni di bit al secondo da un'altitudine di 600 km a una velocità di 7 km/s. Siamo riusciti a rilevare correttamente il segnale di comunicazione da SOTA che si muoveva a questa velocità elevata. Questo è un passo importante verso la costruzione di una rete di comunicazione satellitare globale a lungo raggio e veramente sicura.

Come risultato di questa ricerca, NCT ha dimostrato che la comunicazione quantistica satellitare può essere implementata con piccoli satelliti a basso costo, che consente di utilizzare questa tecnologia chiave. È un risultato che apre una nuova pagina nello sviluppo futuro delle reti di comunicazione globali e un grande impulso all'industria spaziale.

I risultati di questa ricerca sono stati accettati per la pubblicazione in Fotonica della natura .

Le tecnologie necessarie per lanciare piccoli satelliti a basso costo sono progredite enormemente nel corso di questo secolo, e si stanno compiendo sforzi significativi per sviluppare costellazioni satellitari per realizzare una rete di comunicazione globale che copra l'intera Terra. Però, c'è bisogno di una tecnologia in grado di trasmettere grandi quantità di informazioni dallo spazio al suolo in brevi periodi di tempo, e le attuali bande RF sono già congestionate, creando un collo di bottiglia della capacità di comunicazione.

Utilizzando i laser, la comunicazione ottica satellitare ha una banda di frequenza prontamente disponibile e può trasmettere con maggiore efficienza energetica e con terminali più piccoli e leggeri. Così, dovrebbe essere una tecnologia chiave per supportare le future reti di comunicazione satellitare. Comunicazione quantistica, e più specificamente, La distribuzione delle chiavi quantistiche (QKD) è un'altra tecnologia chiave per garantire la sicurezza delle informazioni delle prossime reti di comunicazione globali. Gli attuali collegamenti QKD sono limitati a diverse centinaia di km, quindi l'implementazione del QKD satellite-terra è un passo fondamentale in questo sforzo. La ricerca QKD è attivamente condotta in Giappone, Cina, Europa, Canada e Stati Uniti (vedi informazioni supplementari sulle recenti tendenze di ricerca e sviluppo). Nell'agosto del 2016 l'Università della Scienza e della Tecnologia della Cina ha lanciato un grande satellite di comunicazione quantistica (635 kg) e ha eseguito un esperimento di entanglement quantistico con due stazioni di terra.

SOTA è il trasmettitore di comunicazione quantistica più piccolo e leggero al mondo (6 kg di peso, 17,8 cm di lunghezza, 11,4 cm di larghezza, e 26,8 cm di altezza) imbarcato sul microsatellite SOCRATE (vedi Fig. 1). SOTA ha trasmesso due stati di polarizzazione, codifica di zero e uno (vedi Fig. 2a, b) a terra a una velocità di 10 milioni di bit al secondo. I segnali da SOTA sono stati ricevuti presso la stazione di terra ottica NICT nella città di Koganei di Tokyo utilizzando un telescopio da 1 m (vedi Fig. 2c) per raccogliere i fotoni trasmessi e guidarli al ricevitore quantistico (vedi Fig. 2d), che ha decodificato le informazioni utilizzando un protocollo QKD.

Il segnale che arriva al telescopio da 1 m è estremamente debole, con una media di 0,1 fotoni per impulso ricevuto. NTIC ha sviluppato la tecnologia per eseguire la sincronizzazione temporale e la corrispondenza del frame di riferimento della polarizzazione tra il satellite e la stazione di terra direttamente dai segnali QKD, così come un ricevitore quantistico in grado di rilevare un segnale così debole con basso rumore. Abbiamo dimostrato la prima comunicazione quantistica al mondo da un microsatellite di 50 kg. Ciò consentirà lo sviluppo di futuri collegamenti sicuri dallo spazio tramite crittografia quantistica per prevenire completamente la perdita di informazioni.

La tecnologia sviluppata in questo progetto ha dimostrato che la comunicazione quantistica satellitare può essere implementata utilizzando microsatelliti leggeri a basso costo. Perciò, si prevede che molti istituti di ricerca e aziende interessate a questa tecnologia accelereranno l'applicazione pratica della comunicazione quantistica dallo spazio. Inoltre, poiché è stato dimostrato che la comunicazione a lunga distanza è possibile con una potenza elettrica molto bassa, questo aprirà un percorso per accelerare la comunicazione ottica nello spazio profondo con i veicoli spaziali di esplorazione.

Nel futuro, abbiamo in programma di aumentare ulteriormente la velocità di trasmissione e migliorare la precisione della tecnologia di tracciamento per massimizzare la consegna sicura delle chiavi dallo spazio a terra utilizzando la crittografia quantistica che consente una rete di comunicazione globale veramente sicura, la cui riservatezza è attualmente minacciata dall'imminente sviluppo dei computer quantistici.

Le tecnologie necessarie per lanciare piccoli satelliti a basso costo sono progredite enormemente negli ultimi anni, e lanciando un elevato numero di satelliti in orbita terrestre bassa, le reti di comunicazione globali che coprono l'intera Terra sotto forma di costellazioni satellitari stanno diventando una realtà. Queste costellazioni dovranno fare i conti con un'enorme quantità di dati da trasferire sulla Terra in brevi periodi di tempo (dato che il passaggio tipico di un satellite LEO è di diversi minuti). Inoltre, la tecnologia RF sta diventando obsoleta e lo spettro radio congestionato. La comunicazione ottica satellitare ha uno spettro prontamente disponibile e il potenziale per aumentare la quantità di dati trasmessi riducendo la potenza, massa e peso dei terminali.

La comunicazione laser spaziale è stata dimostrata in molte missioni, principalmente in Giappone, Europa e Stati Uniti nel maggio 2014, Il NCT ha sviluppato un piccolo terminale di comunicazione laser (SOTA) e lo ha lanciato a bordo del microsatellite SOCRATES in un'orbita eliosincrona di 600 km. NCT ha eseguito con successo una serie di esperimenti di comunicazione laser, e dal 2016 è stata condotta una nuova campagna di esperimenti di comunicazione quantistica.

La comunicazione quantistica è una tecnologia essenziale per realizzare la crittografia quantistica, che può proteggere completamente lo scambio di chiavi crittografiche da qualsiasi perdita di informazioni. I satelliti possono aumentare significativamente la portata dei collegamenti QKD poiché le perdite sono inferiori rispetto a quando si utilizzano fibre ottiche, che è tipicamente limitato a circa 200 km, consentendo scambi intercontinentali di chiavi segrete.

Nell'agosto del 2016 l'Università della Scienza e della Tecnologia della Cina ha lanciato un grande satellite di comunicazione quantistica (635 kg) e ha eseguito un esperimento di entanglement quantistico con due stazioni di terra (J. Yin et al., Scienza, 356(6343), giugno 2017). Il team cinese sta anche conducendo esperimenti sulla crittografia quantistica su scala intercontinentale utilizzando questo satellite (E. Gibney, Natura , 535, 2016).

La comunicazione laser satellitare e la comunicazione quantistica sono tecnologie emergenti con un grande potenziale nelle future reti di comunicazione su scala globale, e stanno attirando una grande attenzione da parte di molti importanti istituti di ricerca in tutto il mondo.

La maggior parte dei fotoni SOTA trasmessi vengono persi prima di raggiungere il ricevitore a causa della divergenza del raggio laser e dell'apertura limitata del telescopio per raccogliere i fotoni. Inoltre, molti fotoni sono dispersi e assorbiti nell'atmosfera. Di conseguenza, il segnale in arrivo all'OGS è estremamente debole, trasportano una media di meno di 0,1 fotoni per impulso. Poiché tali segnali deboli non possono essere rilevati tramite fotorivelatori convenzionali, il ricevitore quantistico utilizzava rivelatori estremamente sensibili noti come contatori di fotoni in grado di rilevare singoli fotoni. Ciò consente una comunicazione più efficiente rispetto alla comunicazione ottica satellitare convenzionale. Anche, utilizzando segnali con meno di un fotone per impulso, la crittografia quantistica può rilevare la presenza di un intercettatore, che consente di consegnare chiavi segrete in modo riservato.

Per realizzare la comunicazione quantistica e la crittografia quantistica con un segnale così debole, un passaggio chiave consiste nel marcare accuratamente l'ora dei segnali in modo che siano chiaramente riconosciuti nel ricevitore quantistico. Perciò, è necessario sincronizzare accuratamente i segnali tra SOCRATES e l'OGS per rilevare i bit trasmessi senza errori. È inoltre necessario eseguire un adattamento dell'asse di polarizzazione, perché i quadri di riferimento cambiano a causa del moto relativo tra il satellite e la stazione di terra. Solo il Giappone e la Cina sono stati in grado di dimostrare queste tecnologie nello spazio, ma la Cina lo ha fatto utilizzando un satellite di classe 600 kg, mentre il Giappone lo ha fatto utilizzando un satellite di classe 50 kg.

Poiché il satellite si muove ad alta velocità rispetto all'OGS (circa 7 km/s), la lunghezza d'onda del segnale laser Doppler si è spostata su una lunghezza d'onda più corta quando si avvicinava all'OGS, e ad una lunghezza d'onda maggiore quando ci si allontana dall'OGS. A causa dell'effetto Doppler, è necessario eseguire una sincronizzazione temporale accurata per rilevare correttamente le lunghe sequenze di bit senza errori. Nell'esperimento di comunicazione quantistica in Cina, questa sincronizzazione è stata realizzata utilizzando un laser dedicato che trasmette un segnale di sincronizzazione. Al contrario, NICT è stato in grado di effettuare questa sincronizzazione utilizzando il segnale quantistico stesso. Una speciale sequenza di sincronizzazione di circa 32, 000 bit è stato utilizzato nel segnale di comunicazione quantistica per questo scopo, e il ricevitore quantistico è stato in grado di eseguire non solo la comunicazione quantistica, ma anche la sincronizzazione e l'asse di polarizzazione che corrispondono direttamente, utilizzando solo il debole segnale quantistico. In questo esperimento, NICT è riuscito a dimostrare per la prima volta che la tecnologia di comunicazione quantistica può essere implementata in piccoli satelliti.

La Fig. 4 mostra l'orbita di SOCRATE, così come il calcolo e la misurazione Doppler-shift dell'esperimento condotto il 5 agosto, 2016. Come mostrato in Fig. 4a, SOCRATE ha sorvolato l'Oceano Pacifico da sud a nord e ha raggiunto la distanza più vicina di 744 km dalla stazione di terra ottica NICT alle 22:59:41 ora del Giappone. In quel momento è stato stabilito un collegamento di comunicazione per due minuti e 15 secondi. La Fig. 4b mostra il valore teorico dello spostamento Doppler previsto dalle informazioni sull'orbita di SOCRATE, e la Fig. 4c mostra il valore sperimentale. Il valore osservato dello spostamento Doppler ha mostrato un buon accordo con la teoria, e il cambiamento di frequenza dovuto allo spostamento Doppler potrebbe essere corretto con precisione. Sulla base di questa correzione di frequenza, la sincronizzazione temporale tra il satellite e la stazione di terra è stata stabilita correggendo accuratamente la variazione dell'intervallo di tempo dei fotoni provenienti da SOCRATES ogni secondo.

Dopo aver stabilito la sincronizzazione dell'ora, il segnale del fotone viene trasformato in zeri e uno digitali. Però, a causa dello spostamento della posizione dei bit, è ancora necessario far corrispondere la sequenza di bit trasmessa da SOTA con la sequenza di bit ricevuta all'OGS. Come mostrato in Fig. 5, analizzando la correlazione incrociata della sequenza di sincronizzazione di circa 32, 000 bit, questa partita potrebbe essere eseguita con successo. La Fig. 5b mostra il picco di correlazione al 29, 656a posizione di bit, il che significa che questa è considerata l'origine nell'OGS, in modo che la sequenza possa essere decodificata correttamente.

La Fig. 6 mostra un esempio di istogramma della serie di fotoni rilevati dal ricevitore quantistico. I segnali Tx2 e Tx3 mostrano i fotoni trasmessi da SOTA e l'istogramma mostra come i fotoni rilevati sono correlati al segnale originale. Ciò dimostra che la sincronizzazione potrebbe essere stabilita con precisione utilizzando direttamente il segnale quantistico, anche in presenza di perdite significative.

Poiché SOCRATE si sta muovendo rispetto alla stazione di terra, il quadro di riferimento della polarizzazione tra SOTA e OGS è in continua evoluzione. Per stabilire correttamente un collegamento di comunicazione quantistica, il frame di riferimento della polarizzazione deve essere lo stesso. Se questo cambiamento relativo non viene corretto, gli stati di polarizzazione corrispondenti a zero e uno non possono essere identificati con precisione. La Fig. 7 mostra l'angolo di polarizzazione previsto dei fotoni trasmessi da SOTA per zero e uno, così come gli angoli misurati, raggiungere un buon accordo tra i due. La previsione teorica è stata calcolata utilizzando le informazioni orbitali di SOCRATE, così come il suo cambiamento di atteggiamento durante il passaggio sul Giappone. Abbinando il sistema di riferimento, potrebbe essere misurato un tasso di errore di bit quantistico fino al 3,7 percento. Ciò dimostra che la comunicazione quantistica è fattibile dallo spazio, poiché è inferiore al 10 percento, spesso utilizzato come condizione per la sicurezza della crittografia quantistica. Questa rappresenta la prima dimostrazione del genere utilizzando un microsatellite di classe 50 kg.