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基于时延卫星量子中继器的全球量子通信

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发表于 2025-1-10 08:02:00 | 显示全部楼层 |阅读模式
引言
) W* X2 [' v  X+ E4 ^" }! 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]。! ?2 p( s1 A2 Q3 @( p- Z# Y

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" a1 i: T+ O) X- o4 e7 R7 n理解挑战/ c' T: E6 }  _, y
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。
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时延解决方案
% U6 x3 w7 N+ I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。! `& {! F$ J) I0 k4 J0 H+ h% A( @
$ t$ @  P4 p6 q
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。
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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。7 V0 [/ k8 F, ], b  H: l
1 t' A1 H5 P& B- I) @4 V# }
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/ {% O3 I6 _+ {性能和优势0 _" w2 X: e) C
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。+ h6 S, @5 N: ]+ E

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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。% i1 \) q( Y' ]
1 B  D3 z" |2 O8 W% c- \9 G0 D
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# G+ _* M7 D6 f技术实现
( G) b1 N3 `' w- O% x3 P+ |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。
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未来应用
2 O- c1 I; q, D: I, G" \9 k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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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。1 S& C4 g) u* A4 u
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/ D5 f! f6 P# z结论$ _# }1 Z" _0 y% h% s! U: d
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。( S( @9 C+ }9 l2 s
' R4 r: G2 I9 b6 s) q7 A
参考文献
3 l& C% |( `/ i6 R# T& ~( w[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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. h6 V: I- C- J! v$ G% L4 C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。/ X6 s+ T  U! Q* S! h
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