Gondolatok az űrkorszakról

Gondolatok az űrkorszakról „Képtelenség a Holdra lőni, mert a leghevesebb robbanóanyag sem tud akkorát lőni, hogy eljusson a Holdra” „Az űrkutatás merő humbug”

KVANTUMKOMMUNIKÁCIÓ AZ ŰRTÁVKÖZLÉSBEN

„Erkölcsi jogunk csak akkor lesz a világűrbe menni, ha megállítottuk az éhezést s a Földön lévő bajokat”

Kvantum-informatika és kommunikáció

Bacsárdi László doktorjelölt BME Híradástechnikai Tanszék [email protected]

2011. április 1., Budapest

Kvantumkommunikáció az űrtávközlésben

© Bacsárdi László, Híradástechnikai Tanszék Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem

2

Gondolatok az űrkorszakról

Gondolatok az űrkorszakról „Eljön az idő, amikor olyan szerkezetet építünk, amellyel madarak módjára repülünk keresztül az égbolton, miközben nyugodtan olvashatunk.” (Roger Bacon)

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

„A Föld az emberiség bölcsője, de nem maradhatunk örökké bölcsőben” (K. E. Ciolkovszkij)



3



5



4

Az űrkoszak kezdetei Szptunyik-1 1957. október 4. Lajka kutya (Szputnyik-2) 1957. november 3. Gagarin repülése 1961. április 12. John Glenn repülése 1962. február 20.



6

6

1

Az űrkoszak kezdetei

Magyar részvétel

Explorer-1 (1958.02.01.)

1946.: Bay Zoltán-féle holdradar-kísérlet

Pioneer-1 (1958.10.11.)

1968. aug. 20-21.: amerikai műholdon sikeres műholdátviteli kísérlet

Vanquard-1 (1958.03.01.)

1974.: Interkozmosz-12: fedélzeti elektronika fejlesztése

SCORE (1958.12.18.)

1980.: Farkas Bertalan űrrepülése (Magyari Béla tartalékűrhajós)

Telstar-1 (1962.07.10)

2007.: Charles Simonyi űrutazása (rádióamatőr-kapcsolatok, PILLE)

Intelsat-1A (1965.04.06)

2009.: Charles Simonyi második űrutazása (rádióamatőr-kapcsolatok, „Simonyi-Pille 2” kísérlet)



7


Műholdpályák

Űrszemét

A világűr semlegessége

Visszatérés a jövőbe (Holdra)

Emberes űrutazások

Alkalmazások


• LEO • MEO • GEO

9


Űrtávközlés



10

Űrtávközlés

Űrhírközlés: a hírközlés része az űrrendszer (részben vagy teljes egészében) Űrrendszer: űreszköz + a teljes apparátus aktív és passzív rendszerek


8

Műholdpályák

Jövő a jelen pillanatban



Szolgáltatás • • • •

11

Pont-pont Területi elosztó Globális hírközlés Műsorszóró rendszerek



12

2

Távközlési műholdak

Kvantumkommunikáció Lehetővé teszi

A távközlési műholdak • • • •

• nagyobb sávszélesség elérését (effektív sávszélesség), amelyre az új nagy információkapacitású rendszereknek szüksége van • a műholdas műsorszórás minőségének növelését • különböző biztonsági problémák hatékony megoldását (pl. kriptográfia)

Telekommunikáció segítése rádió- és mikrohullámú frekvenciákon Geoszinkron, geostacionárius, LEO Lézeres kommunikáció Késleltetések

A kommunikációt négy módon segítheti



13



14

Biztató jelek

Kvantumkommunikáció Nyílt légköri kommunikáció • száz kilométeres nagyságrend • Föld görbülete is számít

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

Alacsonypályás műholdas kommunikáció • néhány száz km magasságban keringő műholdak, kódolás

Műholdas műsorszórás

1998

• 36.000 km magasan keringő műholdak • 27 MHz-es jelet használunk • a kódolásban (QPSK) egy szimbólum két bitet kódol - 55 Mbs

• 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

Műhold-műhold kommunikáció

2006 • 144 km nemzetközi kutatócsoport

2011 • folytatódó munka (NICT, QUEST) Kvantumkommunikáció az űrtávközlésben


15

Miért pont szabad légköri?



16

Hogyan működik?

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 kvantum kommunikációt



17



18

3

A részletek…

Űr-űr kvantumkommunikáció modellezése

Hogyan történhet a kommunikáció? Írjuk fel a veszteségeket! Nézzünk meg két protokoll! Galambos Máté (BME TTK)



19



20

Veszteségek

Föld-űr kvantumkommunikáció modellezése



21

Kvantumkommunikáció IAC 2010, Prague az űrtávközlésben


22

Szupersűrűségű kódolás, űr-űr (1) Ha a bitek több mint a felét elveszítjük, nem hasznos a protokoll Az űrben nincs abszorpció, csak célzási hiba és nyalábszélesedés, emiatt egy „elég nagy” detektor elegendő jelet tud összegyűjteni Milyen nagy az „elég nagy”?

SZUPERSŰRŰSÉGŰ

TÖMÖRÍTÉS Hullámhossz: 0.8 µm Célzási hiba: 0.5 µrad



23



24

4

Szupersűrűségű kódolás, űr-űr (2)

Szupersűrűségű kódolás, űr-Föld, Föld-űr (2) Transzmittancia

link hosszúság apertúra átmérő Optimum keresése, ahol a nyalábszélesedés a legkisebb Ez alapján a fogadó oldalon a detektor tükörátmérője minimalizálható

Orbit: 300 km Visibility: clear 23 km, hazy 6 km Wavelength: 0.8 µm Alice’s aperture size: 0.2 m

Wavelength: 0.8 µm Pointing error: 0.5 µrad



Downlink

25

Kvantumkommunikáció az űrtávközlésben IAC 2010, Prague


26


28

Szupersűrűségű kódolás, űr-Föld, Föld-űr (3) Transzmittancia Orbit: 300 km Visibility: clear 23 km, hazy 6 km Wavelength: 0.8 µm Alice’s aperture size: 0.2 m

BB84 Uplink Kvantumkommunikáció az űrtávközlésben IAC 2010, Prague


27


BB84 QBER

BB84 Protokoll

Orbit: 300 km; Visibility: clear 23 km, hazy 6 km; Wavelength: 0.8 µm; Alice’s aperture size: 0.2 m; Downlink; ppol: 0.05; pdark: 2·10-4; n: 4; µ: 0.1; η: 0.7



29



30

5

BB84 Bitrate

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

Orbit: 300 km; Visibility: clear 23 km, hazy 6 km; Wavelength: 0.8 µm; Alice’s aperture size: 0.2 m; Downlink; µ: 0.1; η: 0.7; fpulse: 1 Mhz;



31



32

Összefoglalás (2) Szupersűrűségű protokoll esetén

Kérdések?

• Mély űri illetve uplink megoldások nem realizálhatóak • A praktikus alkalmazások kistávolságú műhold-műhold illetve műhold-Föld downlink irányú kommunikációban használhatóak

?

KÖSZÖNÖM A FIGYELMET!

BB84 vizsgálata downlink esetben • Az eredményeink megmutatták, hogy LEO pályán lévő műholdak esetében még nagy zenitszög esetén is 10-100 kb/s sebességgel lehetséges a kulcsszétosztás

Bacsárdi László doktorjelölt BME Híradástechnikai Tanszék [email protected] Kvantumkommunikáció az űrtávközlésben


33



34

6

Gondolatok az űrkorszakról

Recommend Documents