2016 ősz. Kvantumkommunikáció az űrtávközlésben október 16

Kvantum-informatika és kommunikáció 2015/2016 ősz

Kvantumkommunikáció az űrtávközlésben 2015. október 16.

Optikai szál – rekord

307 km (2014)

Kvantumkommunikáció az űrtávközlésben

© Bacsárdi László, BME Hálózati Rendszerek és Szolgáltatások Tanszék

2

Biztató jelek - szabadtér  1991 • első megvalósítás, 30 cm-es távon • laboratóriumi körülmények között: 205 méter • külső körülmények között: 75 méter

 1998 • Los Alamos National Laboratory, 950 méteres táv, éjszakai körülmények

 2002 • ugyanez a kutatólaboratórium demonstrálta 10 kilométeres távon (9,81 km), nappali és éjjeli időszakban is

 2006 • 144 km nemzetközi kutatócsoport

 2015 • folytatódó munka Kvantumkommunikáció az űrtávközlésben


3

Gondolatok az űrkorszakról „Eljön az idő, amikor olyan szerkezetet építünk, amellyel madarak módjára repülünk keresztül az égbolton, miközben nyugodtan olvashatunk.” (Roger Bacon) „A Föld az emberiség bölcsője, de nem maradhatunk örökké bölcsőben” (K. E. Ciolkovszkij)



4

Gondolatok az űrkorszakról „Képtelenség a Holdra lőni, mert a leghevesebb robbanóanyag sem tud akkorát lőni, hogy eljusson a Holdra” „Az űrkutatás merő humbug” „Erkölcsi jogunk csak akkor lesz a világűrbe menni, ha megállítottuk az éhezést s a Földön lévő bajokat”



5

Gondolatok az űrkorszakról

„A dongó fizikailag nem lenne képes repülni. De a dongó ezzel nincs tisztában, úgyhogy továbbra is repül.” (Mary Kay Ash)



6

Az űrkommunikáció kezdetei Szputnyik-1 (1957. október 4.) SCORE (1958. december 18.) Intelsat-1A (1965. április. 6.)

Képek forrása: http://en.wikipedia.org/wiki/File:Sputnik_asm.jpg http://en.wikipedia.org/wiki/File:INTELSAT_I_%28Early_Bird%29.jpg Kvantumkommunikáció az űrtávközlésben


7

Műholdpályák Műholdpályák LEO GEO



8

Miért pont szabad légköri?  Az optikai kábelek vesztességei miatt a kvantum csatorna maximális hossza néhány száz km  A légköri vesztességek szintén befolyásolják a távolságot, azonban elegendő nagy távolság marad a műhold eléréséhez  A világűrbeli vesztességek jóval alacsonyabbak, lehetővé téve nagy távolságú kvantumkommunikációt



9

Irány az űr

L. Bacsardi, „On the way to Quantum Based Satellite Communication”, IEEE Communications Magazine, 51:(08) pp. 50-55.



10

Problémakör Az űrkommunikációban potenciálisan használandó kvantumalgoritmusok határai: • a kvantum kommunikációs rendszerek tervezésének jól elkülönített és meghatározott lépései vannak • mérnöki szemmel nézve a kvantumcsatorna tulajdonsága különösen fontos • mi történik, ha a fizikai réteget optikai vezeték helyett a szabad légkörre cseréljük, és a csatorna hossza jelentősen megnő?



11

Űr-űr kvantumkommunikáció modellezése



12

Föld-űr kvantumkommunikáció modellezése



13

Csatornamodell (1)  A szabadtéri kvantumkommunikáció modellje, figyelembe véve: • egyfoton források • a légkör különböző gázai, az aeroszolok és az optikai turbulenciák által okozott veszteségek.

 Űr-űr linkek: • célzás hibája • nyalábszélesedés

 Föld-űr, űr-Föld linkek: • az optikai turbulenciák további problémákat okozhatnak • a légkör fényszóró és elnyerő tulajdonságai miatt további vesztességek keletkeznek a csatornában.



14

Csatornamodell (2)  Űr-űr kommunikációban a nyaláb ún. félértékszélessége:

4 L2

ρ=

k DA 2

2

+

DA : az adó apertúra átmérője L: csatornahossz k: lézer hullámszáma

DA 2 4

 Légkörben: 2

ρ=

ahol

4L

k 2DA 2

1/ 3     ρ0 DA 4L    + + 1  0.62 2 4 k  ρ 0    D A   2

L2 5/ 3   z  2 2 ρ 0 = 1.46k  C n z 1   dz     L L1

3 / 5

a Hufnagel-Valley modellből számolva 2

W  C 2n = 0.00594    h 10 5  27 





10

h   exp  +  1000 

h    h  + 2.7 10 16  exp   + A  exp    1500   100  Kvantumkommunikáció az űrtávközlésben

6/5

2

C 2n : turbulenciaerősség h :a tengerszint feletti magasság W: a magas légköri szélsebesség (tipikus: 21 m/s) A: turbulencia erőssége a talaj közelében (tipikus: 1.7·10-14 m-2/3)


15

Csatornamodell (3)  A teljes transzmittancia τ DET

τ = τ AIR τ DET

A fotonok hány százaléka érkezik meg a fotonoknak egy RB sugarú, kör alakú detektorba

τ AIR

ahol

Veszteségek a légkör fényszóró és elnyelő tulajdonságai miatt.

  τ AIR = exp   s i + a i   ΔLi   i 

ΔLi

adott réteg s: szórási koefficiens a: abszorpciós koeficciens

s és a: függ az időjárástól és a helytől!



16

A BB84 protokoll vizsgálata (1)  Kvantum bithibaarány (QBER)

QBER  p pol

p dark  n  η2 μ

ppol a polarizációmérés hibája pdark a hibásan regisztrált beütések gyakorisága n a detektorok száma η a lézer pulzusokban az átlagos foton szám μ pedig a detektorok hatásfoka.

Ha a QBER 0,11 fölé emelkedik, a kommunikáció többé nem biztonságos, mivel nem lehet eldönteni, hogy a keletkező hibákat egy harmadik fél okozza-e vagy a csatorna természetes zajáról van szó.

 bitráta

1 R   f LÉZER  m    h 2 Kvantumkommunikáció az űrtávközlésben

fLÉZER a lézer elsütésének frekvenciája


17

A BB84 protokoll vizsgálata (2)

QBER  p pol 

p dark  n η2 μ

Mérsékelt égövi terület, nyár. Műhold pályamagassága: 300 km Tiszta idő: 23 km Ködös idő: 5 km Alice apertúra mérete: 0,2 m Ppol=0.05; -4 Pdark=2·10 ;n=4; m=0.1; h= 0.7 Kvantumkommunikáció az űrtávközlésben


18

Quantum Satellite Communication Simulator

Elérhető a neten http://www.mcl.hu/quantum/simulator



19

Transzmittancia elemzése

L. Bacsardi, „On the way to Quantum Based Satellite Communication”, IEEE Communications Magazine, 51:(08) pp. 50-55.



20

QBER-értékek összehasonlítása

wavelength: 860 nm, targeting angular error: 1 mrad, Bob’s mirror diameter: 1 m, probability of polarization measurement error: 0.0001, quantum efficiency of Bob’s detector: 0.7, mean photon number of the signal: 0.1, number of detectors: 4, total noise: 2x10-7, efficiency of quantum operations by Bob: 0.2.

Laszlo Bacsardi, „Quantum Based Solutions for Efficient Communication Networks”, IEEE 17th International Conference on Intelligent Engineering Systems, Monte de la Cruz, Costa Rica, 2013.06.19-2013.06.21. IEEE, pp. 45-49. Kvantumkommunikáció az űrtávközlésben


21

BB84 vs S09

Galambos et al., „Comparison of BB84 and S09 Quantum Key Distribution Protocols in Space-Space Links”, 31st AIAA International Communications Satellite Systems Conference. Florence, Italy, 2013.10.14-2013.10.17. pp. 1-5.



22

SpooQySats – SPEQS-2 demos SpooQy-1 - engineering pathfinder;

SpooQy-2 – science demonstration

Összefoglalás (1)  jövőbeli szabadtéri kvantumcsatornán: • légkör zavaró hatásának minimalizálása; • a szabadtéri távolságok növelése (a jel megfelelő erősítése); • megfelelő küldő- és vevőberendezések építése

 a sikeres kísérletek az űrtávközlésben fejlődést hozhatnak  a szabadtéri modell működőképes  az űrtávközlés történelmében ugyanolyan nagy váltást érhetünk el, mint amilyen az analóg technikáról digitális technikára történő átállás



24

Összefoglalás (2)  Szupersűrűségű protokoll esetén • Mély űri illetve uplink megoldások nem realizálhatóak • A praktikus alkalmazások kistávolságú műhold-műhold illetve műhold-Föld downlink irányú kommunikációban használhatóak

 BB84 vizsgálata downlink esetben • Az eredményeink megmutatták, hogy LEO pályán lévő műholdak esetében még nagy zenitszög esetén is 10-20 kbps sebességgel lehetséges a kulcsszétosztás



25

2016 ősz. Kvantumkommunikáció az űrtávközlésben október 16

Recommend Documents