KVANTUMKOMMUNIKÁCIÓ AZ ŰRTÁVKÖZLÉSBEN

KVANTUMKOMMUNIKÁCIÓ AZ ŰRTÁVKÖZLÉSBEN Kvantum-informatika és kommunikáció

Bacsárdi László

2011. április 1., Budapest

doktorjelölt BME Híradástechnikai Tanszék [email protected]

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”

Kvantumkommunikáció az űrtávközlésben

© Bacsárdi László, Híradástechnikai Tanszék Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem

2

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)



3

Gondolatok az űrkorszakról

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



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.



5



6

6

Az űrkoszak kezdetei Explorer-1 (1958.02.01.) Pioneer-1 (1958.10.11.) Vanquard-1 (1958.03.01.) SCORE (1958.12.18.) Telstar-1 (1962.07.10) Intelsat-1A (1965.04.06)



7

Magyar részvétel 1946.: Bay Zoltán-féle holdradar-kísérlet 1968. aug. 20-21.: amerikai műholdon sikeres műholdátviteli kísérlet 1974.: Interkozmosz-12: fedélzeti elektronika fejlesztése 1980.: Farkas Bertalan űrrepülése (Magyari Béla tartalékűrhajós) 2007.: Charles Simonyi űrutazása (rádióamatőr-kapcsolatok, PILLE) 2009.: Charles Simonyi második űrutazása (rádióamatőr-kapcsolatok, „Simonyi-Pille 2” kísérlet)



8

Jövő a jelen pillanatban

Űrszemét

A világűr semlegessége

Visszatérés a jövőbe (Holdra)

Emberes űrutazások

Alkalmazások



9

Műholdpályák Műholdpályák • LEO • MEO • GEO



10

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



11

Űrtávközlés Szolgáltatás • • • •

Pont-pont Területi elosztó Globális hírközlés Műsorszóró rendszerek



12

Távközlési műholdak A távközlési műholdak • • • •

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



13

Kvantumkommunikáció Lehetővé teszi • 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)

A kommunikációt négy módon segítheti



14

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

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

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

Műhold-műhold kommunikáció



15

Biztató jelek 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

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


16

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 kvantum kommunikációt



17

Hogyan működik?



18

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



19

Űr-űr kvantumkommunikáció modellezése



20

Föld-űr kvantumkommunikáció modellezése



21

Veszteségek f (r, θ ) =

ρ=

1 2 πσ POINT

2

 r2 ⋅ exp − 2  2σ POINT

1/ 3 2  ρ 0   4L2 DA 4L2    + + 1 − 0.62 2 D   4 k 2D A (k ⋅ ρ0 )2   A 

6/5

   

    

  τ AIR = exp − ∑ (s i + a i ) ⋅ ∆Li   i 

Kvantumkommunikáció IAC 2010, Prague az űrtávközlésben


2

σ SPREAD = ρ 2 + σ POINT

τ SPREAD

2

2   RB  = 1 − exp − 2  2σ SPREAD  

τ LINK = τ AIR ⋅ τ SPREAD

22

SZUPERSŰRŰSÉGŰ TÖMÖRÍTÉS



23

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”?

Hullámhossz: 0.8 µm Célzási hiba: 0.5 µrad



24

Szupersűrűségű kódolás, űr-űr (2) link hosszúság apertúra átmérő Optimum keresése, ahol a nyalábszélesedés a legkisebb Ez alapján a fogadó oldalon a detektor tükörátmérője minimalizálható

Wavelength: 0.8 µm Pointing error: 0.5 µrad



25

Szupersűrűségű kódolás, űr-Föld, Föld-űr (2) Transzmittancia Orbit: 300 km Visibility: clear 23 km, hazy 6 km Wavelength: 0.8 µm Alice’s aperture size: 0.2 m

Downlink



26

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

Uplink Kvantumkommunikáció IAC 2010, Prague az űrtávközlésben


27

BB84



28

BB84 Protokoll



29

BB84 QBER

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

QBER = p pol +



p dark ⋅ n τ link ⋅ η ⋅ 2 ⋅ µ

30

BB84 Bitrate

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;

R DISTILLED =



1 ⋅ f pulse ⋅ µ ⋅ τ ⋅ η 2

31

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



32

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 10-100 kb/s sebességgel lehetséges a kulcsszétosztás



33

Kérdések? KÖSZÖNÖM A FIGYELMET!

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


34

KVANTUMKOMMUNIKÁCIÓ AZ ŰRTÁVKÖZLÉSBEN

Recommend Documents