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引言
- R$ F6 D9 h# b量子通信在全球范围内的实现面临着巨大挑战,传统方法难以克服这些限制。本文介绍一种创新方案,通过搭载量子存储器的单颗卫星实现全球量子网络[1]。
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& Y9 `: a0 `! j. k6 Y理解挑战/ D- I/ @5 Y2 }; [
传统的基于光纤的量子通信面临着一个基本限制:光子在传输过程中呈指数衰减。即使采用先进的双场量子密钥分发(QKD)技术,当前实验的传输距离也仅限于约1000公里。虽然量子中继器提供了一种解决方案,但需要每隔几公里就设置一个节点,形成复杂的基础设施。
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图1:展示了(a)方案的总体概述,(b)纠缠光子对生成和吸收式存储器的实验装置,(c)卫星经过地面站A并移向B时的存储过程,(d)卫星从A到达地面站B时的纠缠交换过程。5 H& V i2 f1 n
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7 D' ?9 K t# f$ Z8 H时延解决方案
5 G" @ Y4 w1 n5 K' d1 L6 V2 n这个方案使用一颗携带两个不同特性量子存储器(QMs)的卫星。第一个存储器QM1具有超长存储时间,超过卫星轨道周期90分钟。第二个存储器QM2工作在毫秒量级,用作系统缓冲。7 O1 ]) v% U9 }, D: B' P ]! ]
5 X, D4 B% ^$ U系统通过精密的操作步骤工作:当卫星经过地面站A时,产生纠缠光子对,一个光子发送到地面,另一个存储在QM1中。当到达地面站B时,卫星产生新的纠缠对,一个光子发向地面站B,另一个存储在QM2中。随后,卫星对存储在QM1和QM2中的光子执行纠缠交换。# }: \6 W" n2 G: ~% b9 ?; Q. {4 |7 S
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图2:展示了(a)在不同存储器相位衰减条件下每对接收光子的安全密钥率,(b)系统可实现的总安全密钥长度。
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0 W+ u( x, P3 \" K/ q性能和优势
; k) R& E- q6 t4 H9 t; q" D, Y时延方案相比以往提案具有显著优势。该系统即使在高信道损耗下也能生成安全密钥,在30 dB平均信道损耗条件下可达到104比特的速率。与传统量子中继网络相比,该系统大幅减少了基础设施需求,同时保持全球覆盖能力。
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图3:展示了(a)单存储器和双存储器系统的有限密钥率比较,(b)总密钥长度比较,(c)在不同噪声条件下的系统性能。) j3 f" I0 y2 n! [
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0 C: C7 \9 u% N" i5 f9 W7 s技术实现7 M8 g7 T; c) p, l" g
实际实现采用稀土离子掺杂(REID)晶体作为量子存储器。这些材料展现出优异的特性,包括长达6小时的存储时间和存储数百个时间模式的能力。受保护的4f电子轨道确保量子态稳定,而大的非均匀展宽使量子态操控更加有效。( C: Y/ f2 Y: k& M9 M5 M
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+ @! C) E2 W- u未来应用
, C7 b, M9 K3 g2 _: ~该系统为全球量子网络创造了广泛应用机会。通过量子密钥分发实现洲际距离的安全通信,支持分布式量子处理器的连接,实现量子增强定位系统。此外,还为在更大尺度上测试量子力学提供了机会。
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" h. K. O) E2 i+ {* l7 A( W图4:展示了不同接收望远镜口径的地球同步轨道卫星可实现的密钥率,证明了该低轨道系统的优势。! A$ z1 i; G- m: @' m% p
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9 I* {) n i( P+ r' m( i8 }结论+ |2 m* t2 q# O2 K1 S
时延卫星量子中继器在全球量子通信领域取得重大进展。通过巧妙结合长寿命量子存储器和基于卫星的分发方式,为全球量子网络提供了实用方案,同时显著降低了所需基础设施。随着量子存储技术在存储时间和多模容量等方面的持续改进,这种方案有望成为未来全球量子通信系统的基础。# O2 Q7 X- M7 B$ q% T
, ~9 P6 j3 N" s, A1 |参考文献. K2 C# e; @% ?8 I
[1] M. Gündo?an, J. S. Sidhu, M. Krutzik, and D. K. L. Oi, "Time-delayed single satellite quantum repeater node for global quantum communications," Optica Quantum, vol. 2, no. 3, pp. 140-147, June 2024.
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( Q, J& ? e+ ^ A5 n4 S1 H7 E关于我们:- n7 e4 x0 Y5 r ]1 D% @
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