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
) 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]。

sgeclewnnvt64052580256.png

! X( a5 R8 D( L( P4 G
- Z/ p  [9 r# p3 t1 Q$ d1
" a1 i: T+ O) X- o4 e7 R7 n理解挑战
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。
, K6 c$ y1 v& Y, G6 X; i, X

jtdh1icjvdh64052580357.png

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。
" Z) _/ \" q2 o' F4 r% W
2
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。

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。
+ c5 L5 z6 C* I7 u. t

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。

3
/ {% O3 I6 _+ {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。

4
# 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。
8 ?2 y4 j) D2 [+ p5 @1 \) ^; K
5
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。
5 q  ~% M$ R- ^

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
/ D5 f! f6 P# z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。

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.
+ y, T3 Z* i) ?" G' t$ s' u+ VEND
8 R* [6 j; a8 D* i
0 n. x! B' i/ q  j8 ~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。
8 X, k8 v& P5 K5 G5 g: @# [点击左下角"阅读原文"马上申请
8 D# [/ r7 A: c( a( m
' R' h$ C8 L; H& L欢迎转载
- S0 `" K5 ?( R: D/ C
转载请注明出处，请勿修改内容和删除作者信息！
! W- y0 Y  j9 U( a8 p" o

: ^% n1 l! Z- Y  k, X, H& |
( _. c- v8 J' H7 X3 V5 o+ n! h

3r0irwhyow364052580757.gif

% X7 u9 Q" D( _; Y
* T- u7 Z1 q' r' B6 \9 m5 d9 S关注我们
, f  \  Y  F! i: p/ R
' b7 a% p% [4 l1 ^  _0 E% V  S  Q

7 W! {- N% A( j  ~, m9 K  P! ? gtugzds2lyf64052580857.png

0 M+ z& y6 h0 q. ] wkrriov0m3i64052580957.png

hg2gzqdmmyx64052581057.png

                     
9 T0 @. o2 c- G" l+ [
& z2 b* n, ?) Q% E, ^
. P. Q9 \6 U2 G; [$ c: P8 ?5 k5 T! C
关于我们：
. 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。

http://www.latitudeda.com/
（点击上方名片关注我们，发现更多精彩内容）