KVANTUMKOMMUNIKÁCIÓ AZ ŰRTÁVKÖZLÉSBEN

Méret: px

Mutatás kezdődik a ... oldaltól:

Download "KVANTUMKOMMUNIKÁCIÓ AZ ŰRTÁVKÖZLÉSBEN"

Sára Papné
5 évvel ezelőtt
Látták:

1 KVANTUMKOMMUNIKÁCIÓ AZ ŰRTÁVKÖZLÉSBEN Bevezetés a kvantum informatikába és kommunikációba április 3. Budapest Bacsárdi László óraadó BME Hálózati Rendszerek és bacsardi@hit.bme.hu

2 Gondolatok az űrkorszakról Eljön az idő, amikor olyan szerkezetet építünk, amellyel madarak módjára repülünk keresztül az égbolton, miközben nyugodtan olvashatunk. (Roger Bacon) A Föld az emberiség bölcsője, de nem maradhatunk örökké bölcsőben (K. E. Ciolkovszkij) 2

3 Gondolatok az űrkorszakról Képtelenség a Holdra lőni, mert a leghevesebb robbanóanyag sem tud akkorát lőni, hogy eljusson a Holdra Az űrkutatás merő humbug Erkölcsi jogunk csak akkor lesz a világűrbe menni, ha megállítottuk az éhezést s a Földön lévő bajokat 3

4 Gondolatok az űrkorszakról A dongó fizikailag nem lenne képes repülni. De a dongó ezzel nincs tisztában, úgyhogy továbbra is repül. (Mary Kay Ash) 4

5 Az űrkommunikáció kezdetei Szputnyik-1 (1957. október 4.) SCORE (1958. december 18.) Intelsat-1A (1965. április. 6.) Képek forrása: 5

6 Fotó: NASA 6

7 Jövő a jelen pillanatban Űrszemét A világűr semlegessége Hold, Mars, kisbolygók Emberes űrutazások Alkalmazások 7

8 Műholdpályák Műholdpályák LEO MEO GEO 8

9 Űrtávközlés Űrhírközlés: a hírközlés része az űrrendszer (részben vagy teljes egészében) Űrrendszer: űreszköz + a teljes apparátus aktív és passzív rendszerek Szolgáltatás Pont-pont Területi elosztó Globális hírközlés Műsorszóró rendszerek 9

10 Távközlési műholdak A távközlési műholdak Telekommunikáció segítése rádió- és mikrohullámú frekvenciákon Geoszinkron, geostacionárius, LEO Lézeres kommunikáció Késleltetések 10

11 Kvantumkommunikáció Lehetővé teszi nagyobb sávszélesség elérését (effektív sávszélesség), amelyre az új nagy információkapacitású rendszereknek szüksége van a műholdas műsorszórás minőségének növelését különböző biztonsági problémák hatékony megoldását (pl. kriptográfia) A kommunikációt négy módon segítheti Nyílt légköri kommunikáció Alacsonypályás műholdas kommunikáció (LEO) MEO ÉS GEO pálya Műhold-műhold kommunikáció 11

12 Kvantum alapú kulcsszétosztás (QKD) E91 BB84 B92 S09 Bacsardi, L.; Kiss, A.; Galambos, M.; Imre, S., "Examining quantum key distribution protocols in laser based satellite communications," Communication, Networks and Satellite (ComNetSat), 2012 IEEE International Conference on, vol., no., pp , July

Biztató jelek 1991 első megvalósítás, 30 cm-es távon laboratóriumi körülmények között: 205 méter külső körülmények között: 75 méter 1998 Los Alamos National Laboratory, 950 méteres táv, éjszakai

13 Biztató jelek 1991 első megvalósítás, 30 cm-es távon laboratóriumi körülmények között: 205 méter külső körülmények között: 75 méter 1998 Los Alamos National Laboratory, 950 méteres táv, éjszakai körülmények 2002 ugyanez a kutatólaboratórium demonstrálta 10 kilométeres távon (9,81 km), nappali és éjjeli időszakban is km nemzetközi kutatócsoport 2014 folytatódó munka (NICT, QUEST) 13

14 14

15 Miért pont szabad légköri? Az optikai kábelek vesztességei miatt a kvantum csatorna maximális hossza néhány száz km A légköri vesztességek szintén befolyásolják a távolságot, azonban elegendő nagy távolság marad a műhold eléréséhez A világűrbeli vesztességek jóval alacsonyabbak, lehetővé téve nagy távolságú kvantum kommunikációt 15

16 Irány az űr L. Bacsardi, On the way to Quantum Based Satellite Communication, IEEE Communications Magazine, 51:(08) pp

17 Problémakör Az űrkommunikációban potenciálisan használandó kvantum algoritmusok határai. a kvantum kommunikációs rendszerek tervezésének jól elkülönített és meghatározott lépései vannak mérnöki szemmel nézve a kvantumcsatorna tulajdonsága különösen fontos mi történik, ha a fizikai réteget optikai vezeték helyett a szabad légkörre cseréljük, és a csatorna hossza jelentősen megnő? 17

18 Űr-űr kvantumkommunikáció modellezése 18

19 Föld-űr kvantumkommunikáció modellezése 19

20 Csatornamodell (1) A szabadtéri kvantumkommunikáció modellje, figyelembe véve: egyfoton források a légkör különböző gázai, az aeroszolok és az optikai turbulenciák által okozott veszteségek. Űr-űr linkek: célzás hibája nyalábszélesedés Föld-űr, űr-föld linkek: az optikai turbulenciák további problémákat okozhatnak a légkör fényszóró és elnyerő tulajdonságai miatt további vesztességek keletkeznek a csatornában. 20

21 Csatornamodell (2) Űr-űr kommunikációban a nyaláb ún. félértékszélessége: Légkörben: ahol ρ = ρ 4L A + 2 A 4 4L ( ρ ) 2 0 Da Hufnagel-Valley modellből számolva C ρ = DkDL 2 5/ = 1.46 Cn ( ) 1 d z L L A D4 A + kz Lz L: csatornahossz k: lézer hullámszáma 21 3/5 ρ 0 A 1/3 2 C n 6/5 : turbulenciaerősség kda : az adó apertúra átmérője 2 2 ( 5 10 n = ) hw exp kdh exp exp 100 hha2 h :a tengerszint feletti magasság W: a magas légköri szélsebesség (tipikus: 21 m/s) A: turbulencia erőssége a talaj közelében (tipikus: m -2/3 )

22 Csatornamodell (3) A teljes transzmittancia τ =τ τ AIR DET ahol τair = exp i i i L ( + ) ai τ DET fotonoknak egy R B sugarú, kör alakú detektorba τ AIR Veszteségek a légkör fényszóró és elnyelő tulajdonságai miatt. i adott réteg s: szórási koefficiens a: abszorpciós koeficciens Ls sa fotonok hány százaléka érkezik meg a és a: függ az időjárástól és a helytől! 22

23 A BB84 protokoll vizsgálata (1) Kvantum bithibaarány (QBER) QBER bitráta = p pol + p dark n τ η 2 µ Ha a QBER 0,11 fölé emelkedik, a kommunikáció többé nem biztonságos, mivel nem lehet eldönteni, hogy a keletkező hibákat egy harmadik fél okozza-e vagy a csatorna természetes zajáról van szó. 1 = LÉZER 2 f µ τ η p dark a hibásan regisztrált beütések gyakorisága n a detektorok száma η a lézer pulzusokban az átlagos foton szám pedig a detektorok hatásfoka. f LÉZER a lézer elsütésének frekvenciája Rppol a polarizációmérés hibája µ 23

24 A BB84 protokoll vizsgálata (2) QBER = p pol + p dark n τ η 2 µ Mérsékelt égövi terület, nyár. Műhold pályamagassága: 300 km Tiszta idő: 23 km Ködös idő: 5 km Alice apertúra mérete: 0,2 m P pol =0.05; P dark = ;n=4; µ=0.1; η=

channel based network 5 mode: calculation by constant parameters, calculation by varying parameters,

25 Quantum Satellite Communication Simulator Goals: determination of QBER in different channel types (Earth-space, space-space, space- Earth), examination of the used formulas, simulation of a quantum channel based network 5 mode: calculation by constant parameters, calculation by varying parameters, sensitivity analysis, time driven communication and optimization Available online 25

26 Transzmittancia elemzése L. Bacsardi, On the way to Quantum Based Satellite Communication, IEEE Communications Magazine, 51:(08) pp

27 QBER-értékek összehasonlítása wavelength: 860 nm, targeting angular error: 1 µrad, Bob s mirror diameter: 1 m, probability of polarization measurement error: , quantum efficiency of Bob s detector: 0.7, mean photon number of the signal: 0.1, number of detectors: 4, total noise: 2x10-7, efficiency of quantum operations by Bob: 0.2. Laszlo Bacsardi, Quantum Based Solutions for Efficient Communication Networks, IEEE 17th International Conference on Intelligent Engineering Systems, Monte de la Cruz, Costa Rica, IEEE, pp

28 BB84 vs S09 Galambos et al., Comparison of BB84 and S09 Quantum Key Distribution Protocols in Space-Space Links, 31st AIAA International Communications Satellite Systems Conference. Florence, Italy, pp

29 Összefoglalás (1) jövőbeli szabadtéri kvantumcsatornán: légkör zavaró hatásának minimalizálása; a szabadtéri távolságok növelése (a jel megfelelő erősítése); megfelelő küldő- és vevőberendezések építése a sikeres kísérletek az űrtávközlésben fejlődést hozhatnak a szabadtéri modell működőképes az űrtávközlés történelmében ugyanolyan nagy váltást érhetünk el, mint amilyen az analóg technikáról digitális technikára történő átállás 29

30 Összefoglalás (2) Szupersűrűségű protokoll esetén Mély űri illetve uplink megoldások nem realizálhatóak A praktikus alkalmazások kistávolságú műhold-műhold illetve műhold-föld downlink irányú kommunikációban használhatóak BB84 vizsgálata downlink esetben Az eredményeink megmutatták, hogy LEO pályán lévő műholdak esetében még nagy zenitszög esetén is kb/s sebességgel lehetséges a kulcsszétosztás 30

31 Kérdések? KÖSZÖNÖM A FIGYELMET! Bacsárdi László doktorjelölt BME Híradástechnikai Tanszék bacsardi@hit.bme.hu 31

Hasonló dokumentumok

Bevezetés a kvantum-informatikába és kommunikációba 2016/2017 tavasz. Kvantumkommunikáció az űrtávközlésben május 4.

Bevezetés a kvantum-informatikába és kommunikációba 2016/2017 tavasz 2017. május 4. Biztató jelek - szabadtér 1991 első megvalósítás, 30 cm-es távon laboratóriumi körülmények között: 205 méter külső körülmények