电子产业一站式赋能平台

PCB联盟网

搜索
查看: 102|回复: 0
收起左侧

基于时延卫星量子中继器的全球量子通信

[复制链接]

978

主题

978

帖子

9715

积分

高级会员

Rank: 5Rank: 5

积分
9715
发表于 2025-1-10 08:02:00 | 显示全部楼层 |阅读模式
引言
8 }7 L/ `0 ?/ X. B$ e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]。" j* F" x! N8 w

sgeclewnnvt64052580256.png

sgeclewnnvt64052580256.png

; I5 }% q( }4 m1 T
2 P, u- g- N: `* K5 W1' w. i4 T1 x" w. M5 Z# g
理解挑战; N+ z5 w3 i5 B. Q( _9 z: B
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。
6 U' r7 Q6 A5 Z% w- o$ [2 g

jtdh1icjvdh64052580357.png

jtdh1icjvdh64052580357.png

7 k- \+ d$ R5 J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。
  M# @( S) L3 O6 A' \% v( g$ O6 _& s/ E8 o, @, x9 @& a6 r
2
6 R  w- U0 s1 ^; `时延解决方案
4 }$ L% ]4 D/ Y& S8 v: b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。8 P) m+ k8 ?' a
" U  E" R$ I$ X! z& T: r/ l
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。
7 m( N4 L: a" {" \3 K

4q0d21rhxh264052580457.png

4q0d21rhxh264052580457.png
5 {- g6 p; }8 A& S! B; _* m$ K9 w
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。
/ R( @( m; Z6 f
( g) l( h5 M1 S9 [3
8 U1 N5 c/ Z9 Q# N( i8 Y* ~性能和优势
7 u7 S2 }/ _- v$ w0 W9 p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。9 d( |/ f1 K5 Y! u+ R: l. l

bpls5530xx064052580557.png

bpls5530xx064052580557.png
, ~  \( B) V& D4 l. j
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。
: q8 e( d- B! }: g( l0 t/ @. a" S5 ~% A) L8 Z7 N, _
4
' S4 g/ S* D' }1 R- f技术实现
+ X5 c1 C) |7 ^# N7 w( V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。
% p! k( H/ y5 N. D* h6 q
% g  t. C. p6 f6 m, C; K, N0 n8 z, a56 ?! `. `; h; s% V% J. t& Z
未来应用
5 x' X2 R& ?$ z8 l/ V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。
$ r  ?  O& @# G7 n1 x, p6 k- J! N

gjwx54u2i4e64052580657.png

gjwx54u2i4e64052580657.png
' X* l% x3 N* z9 S6 l4 d
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。
6 X" j  S* X( L; q7 ^# s/ F8 E
6
8 ]$ L5 e$ n/ s/ t- v结论* q& E7 d9 E% i0 L- M
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。
  ]6 h! Y( O! _
8 @8 c$ _$ E5 q* s" u参考文献
6 g, r7 @$ Y* ?% J. 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 2024.7 ?0 E) S, F! Y" o5 S& E
END& i" ^* c* V" ]/ \( N3 m* H2 h6 o

6 `; Q3 f3 ^; d5 {/ m5 [软件申请我们欢迎化合物/硅基光电子芯片的研究人员和工程师申请体验免费版PIC Studio软件。无论是研究还是商业应用,PIC Studio都可提升您的工作效能。/ T& f/ \: N$ `  G
点击左下角"阅读原文"马上申请/ F' \+ v6 T) O" Q
0 g4 Z0 q" A& y# u1 ?3 M6 Y$ N2 H
欢迎转载# G. c3 Z( W/ G. l( s0 n

) f" {- s, W. P转载请注明出处,请勿修改内容和删除作者信息!
0 I8 ?( C6 L8 y8 Y. t- G( G3 g  X
! z4 }" n/ ]+ m* b

$ m8 e9 Y" o5 |: I0 X2 c

3r0irwhyow364052580757.gif

3r0irwhyow364052580757.gif

& P) d: z" j' k9 m! c6 B- C* E4 k' j. y: U& d2 m) K& Y+ R
关注我们$ l0 }. R6 M% }3 s: d. S

' h9 A- V- B6 ]* A8 R

7 Q  Z1 }% \3 H( j" B

gtugzds2lyf64052580857.png

gtugzds2lyf64052580857.png

9 K- E$ f0 _- o5 s* X% N
; Z* D- n- {% d" _0 D1 J7 d

wkrriov0m3i64052580957.png

wkrriov0m3i64052580957.png

* T7 b1 u7 ~* u
, D% O( g9 \, T) c) Y

hg2gzqdmmyx64052581057.png

hg2gzqdmmyx64052581057.png

( Z( i/ N! v: N2 |% q2 o
                      7 g. Y3 k7 a" o' c

: [! J% ~* t! B
! X# v1 M( h  n# N+ W! P
8 J' a$ K0 g: A6 ?
关于我们:6 A; Q* N9 ^8 Q6 f9 i
深圳逍遥科技有限公司(Latitude Design Automation Inc.)是一家专注于半导体芯片设计自动化(EDA)的高科技软件公司。我们自主开发特色工艺芯片设计和仿真软件,提供成熟的设计解决方案如PIC Studio、MEMS Studio和Meta Studio,分别针对光电芯片、微机电系统、超透镜的设计与仿真。我们提供特色工艺的半导体芯片集成电路版图、IP和PDK工程服务,广泛服务于光通讯、光计算、光量子通信和微纳光子器件领域的头部客户。逍遥科技与国内外晶圆代工厂及硅光/MEMS中试线合作,推动特色工艺半导体产业链发展,致力于为客户提供前沿技术与服务。
( k, X- U' ?  A8 F0 L1 e
$ i$ y8 M0 l3 B1 Lhttp://www.latitudeda.com/
9 B$ \8 o8 }, V8 z# i- k7 ](点击上方名片关注我们,发现更多精彩内容)
回复

使用道具 举报

发表回复

您需要登录后才可以回帖 登录 | 立即注册

本版积分规则


联系客服 关注微信 下载APP 返回顶部 返回列表