基于时延卫星量子中继器的全球量子通信

逍遥设计自动化

引言
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]。

sgeclewnnvt64052580256.png

' A8 }  |# W) R1 h2 e9 D1
( N9 A) A; T" j& `理解挑战
& f. a0 Z9 H  ]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* G, U; E, K6 t3 Y

jtdh1icjvdh64052580357.png

6 P; _/ }3 N  }+ k# m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。
; {$ j7 i+ ?: [* m( d" u
2
时延解决方案
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' s6 M+ q8 Z- N, Z- n0 [$ j& ?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。
" g: L  ^" B5 J# j0 O# P6 i

4q0d21rhxh264052580457.png

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。
) K+ k, k- x: r- \4 ~
3
( {, f! S4 _4 P% U1 F4 q+ U性能和优势
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。

bpls5530xx064052580557.png

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。
, C8 R% \5 x# S6 U8 I7 w0 y! n
; H2 e) @( {  Q* N4
技术实现
/ b: w7 C9 b0 l% W( I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。
6 V. B7 F; W  p, y) m7 c8 ^0 V
3 f& N2 q; a4 K, l" }7 c, z/ v5
& I+ Y! S( V/ ~6 [未来应用
# Z$ d) H# l# g1 u5 [# ], P/ G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。

gjwx54u2i4e64052580657.png

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
0 i, N, E7 s# e3 L$ m9 i结论
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。
) [* E7 _- g+ T
参考文献
) s& g( |- Q9 U0 Q3 {[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.
END
8 Q& F0 I5 N$ a- h
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。
: q0 Q1 ?7 i0 B& d$ q; ~4 H1 L3 F点击左下角"阅读原文"马上申请
) G5 C, D3 h1 t# I( W( N4 @5 @
' J7 ]9 m& c1 c- E9 @6 n+ Q4 q4 h# F: S欢迎转载

; m* a2 y% j  T# t4 B2 f0 h2 t转载请注明出处，请勿修改内容和删除作者信息！


' G& S& [( B. [. g9 o; B% O

3r0irwhyow364052580757.gif

& ]& r/ }8 X" H  V. ?+ R
关注我们

1 b% C1 M0 d1 r" A* X* L3 D; X+ ^- r

; ^7 N7 w0 K" _" ~- P gtugzds2lyf64052580857.png 1 C: _' Z- N5 n7 K# |2 v; n

wkrriov0m3i64052580957.png 9 h! ~+ ^1 a1 y4 c. X- m, Q8 q! l

( q8 y. R  {$ x hg2gzqdmmyx64052581057.png

                     


, U( g& n  x* B0 G3 F# R
关于我们：
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。
: {  g- g; V1 r& I7 ]  F
http://www.latitudeda.com/
（点击上方名片关注我们，发现更多精彩内容）