Kvantum Kommunikáció Használata az Űrtávközlésben

Méret: px

Mutatás kezdődik a ... oldaltól:

Download "Kvantum Kommunikáció Használata az Űrtávközlésben"

Zsolt Pásztor
5 évvel ezelőtt
Látták:

1 Kvantum Kommunikáció Használata az Űrtávközlésben Bacsárdi László Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Híradástechnikai Tanszék

2 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 2

3 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) 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 űrkoszak kezdetei Szptunyik október 4. Lajka kutya (Szputnyik-2) november 3. Gagarin repülése április 12. John Glenn repülése február 20. 5

6 6

7 Az űrkoszak kezdetei Explorer-1 ( ) Pioneer-1 ( ) Vanquard-1 ( ) SCORE ( ) Telstar-1 ( ) Intelsat-1A ( ) 7

8 Magyar részvétel 1946.: Bay Zoltán-féle holdradar-kísérlet aug : amerikai műholdon sikeres műholdátviteli kísérlet 1974.: Interkozmosz-12: fedélzeti elektronika fejlesztése 1980.: Farkas Bertalan űrrepülése (Magyari Béla tartalékűrhajós) 2007.: Charles Simonyi űrutazása (rádióamatőr-kapcsolatok, PILLE) 2009.: Charles Simonyi második űrutazása (rádióamatőr-kapcsolatok, Simonyi-Pille 2 kísérlet) 8

9 Jövő a jelen pillanatban Űrszemét A világűr semlegessége Visszatérés a jövőbe (Holdra) Emberes űrutazások Alkalmazások 9

10 Műholdpályák Műholdpályák LEO MEO GEO 10

11 Űrtávközlés Űrhírközlés: a hírközlés része az űrrendszer (részben vagy teljes egészében) Űrrendszer: űreszköz + a teljes apparátus aktív és passzív rendszerek 11

12 Űrtávközlés Szolgáltatás Pont-pont Területi elosztó Globális hírközlés Műsorszóró rendszerek 12

13 Távközlési műholdak A távközlési műholdak Telekommunikáció segítése rádió- és mikrohullámú frekvenciákon Geoszinkron, geostacionárius, LEO Lézeres kommunikáció Késleltetések 13

14 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 14

15 Kvantumkommunikáció Nyílt légköri kommunikáció száz kilométeres nagyságrend Föld görbülete is számít Alacsonypályás műholdas kommunikáció néhány száz km magasságban keringő műholdak, kódolás Műholdas műsorszórás km magasan keringő műholdak 27 MHz-es jelet használunk a kódolásban (QPSK) egy szimbólum két bitet kódol - 55 Mbs Műhold-műhold kommunikáció 15

16 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 2010 folytatódó munka (NICT, QUEST) 16

17 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 17

18 Hogyan működik?

19 A részletek Hogyan történhet a kommunikáció? Írjuk fel a vesztességeket! Nézzünk meg két protokoll! Galambos Máté (BME TTK) munkája alapján

20 Űr-űr kvantumkommunikáció modellezése

21 Föld-űr kvantumkommunikáció modellezése

Bob tükrének sugara: 1 (0,5) m; Detektorhatásfok: 0,7; Zajból eredő hibás

22 Egy műhold, mint aktív eszköz (1) Aliz Bitrátája: 5 Mhz; Nyalábgyengítési tényező: 0,1; Aliz apertúraátmérője: 0,2 m, Célzás hibája: 1 (3) µrad; Bob tükrének sugara: 1 (0,5) m; Detektorhatásfok: 0,7; Zajból eredő hibás mérések gyakorisága: ; Égöv: mérsékelt; Évszak: Nyár; Zenitszög: 20

23 Egy műhold, mint aktív eszköz (2) Aliz Bitrátája: 5 Mhz; Nyalábgyengítési tényező: 0,1; Aliz apertúraátmérője: 0,2 m, Célzás hibája: 1 (3) µrad; Bob tükrének sugara: 1 (0,5) m; Detektorhatásfok: 0,7; Zajból eredő hibás mérések gyakorisága: ; Égöv: mérsékelt; Évszak: Nyár; Zenitszög: 20

24 Egy műhold, mint passzív eszköz Aliz Bitrátája: 5 Mhz; Nyalábgyengítési tényező: 0,1; Aliz apertúraátmérője: 0,2 m, Célzás hibája: 1 mrad; Bob tükrének sugara: 0,5 m; Detektorhatásfok: 0,7; Zajból eredő hibás mérések gyakorisága: ; Égöv: mérsékelt; Évszak: Nyár; Zenitszög: 30

25 Több műhold Küldő műhold bitrátája: 5 Mhz; Nyalábgyengítési tényező: 0,1; Küldő műhold apertúraátmérője: 0,2 m, Célzás hibája: 1 mrad; Fogadó műhold tükrének sugara: 0,5 m; Detektorhatásfok: 0,7; Zajból eredő hibás mérések gyakorisága: ;

Vesztességek f 1 ( r,θ) = exp 2 2 2πσ POINT 2σ POINT r 2 2 2 2

26 Vesztességek f 1 ( r,θ) = exp 2 2 2πσ POINT 2σ POINT r σspread =ρ + σ POINT ρ = 2 4L 2 k D 2 A 2 A D L ( k ρ ) 2 0 ρ D A 1 / 3 6 / 5 τ SPREAD = 1 R exp 2σ 2 B 2 SPREAD τ AIR = exp i ( s + a ) L i i i τ LINK =τ AIR τ SPREAD IAC 2010, Prague 26

27 Szupersűrűségű kódolás, űr-űr (1) Ha a bitek több mint a felét elveszítjük, nem hasznos a protokoll Az űrben nincs abszorpció, csak célzási hiba és nyalábszélesedés, emiatt egy elég nagy detektor elegendő jelet tud összegyűjtenimilyen nagy az elég nagy? Hullámhossz: 0.8 µm Célzási hiba: 0.5 µrad IAC 2010, Prague 27

28 Szupersűrűségű kódolás, űr-űr (2) Link hosszúság apertúra átmérő Optimum keresése, ahol a nyalábszélesedés a legkisebb Ez alapján a fogadó oldalon a detektor tükörátmérűje minimalizálható Wavelength: 0.8 µm Pointing error: 0.5 µrad IAC 2010, Prague 28

29 Szupersűrűségű kódolás, űr-föld, Föld-űr (2) Transzmittancia Orbit: 300 km Visibility: clear 23 km, hazy 6 km Wavelength: 0.8 µm Alice s aperture size: 0.2 m Uplink Downlink IAC 2010, Prague 29

30 Szupersűrűségű kódolás, űr-föld, Föld-űr (3) Transzmittancia Orbit: 300 km Visibility: clear 23 km, hazy 6 km Wavelength: 0.8 µm Alice s aperture size: 0.2 m Uplink IAC 2010, Prague 30

31 BB84 Protokoll

32 BB84 QBER Orbit: 300 km; Visibility: clear 23 km, hazy 6 km; Wavelength: 0.8 µm; Alice s aperture size: 0.2 m; Downlink; p pol : 0.05; p dark : ; n: 4; µ: 0.1; η: 0.7 QBER = p pol + τ p link dark n η 2 µ IAC 2010, Prague 32

33 BB84 Bitrate Orbit: 300 km; Visibility: clear 23 km, hazy 6 km; Wavelength: 0.8 µm; Alice s aperture size: 0.2 m; Downlink; µ: 0.1; η: 0.7; f pulse : 1 Mhz; R DISTILLED 1 = f pulse 2 µ τ η IAC 2010, Prague 33

34 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

35 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

Hasonló dokumentumok

Gondolatok az űrkorszakról

Gondolatok az űrkorszakról Képtelenség a Holdra lőni, mert a leghevesebb robbanóanyag sem tud akkorát lőni, hogy eljusson a Holdra KVANTUMKOMMUNIKÁCIÓ AZ ŰRTÁVKÖZLÉSBEN Kvantum-informatika és kommunikáció