Kvantum-informatika és kommunikáció 2015/2016 ősz. Kvantumkommunikáció az űrtávközlésben október 16.

Átírás

1 Kvantum-informatika és kommunikáció 015/016 ősz 015. október 16.

2 Optikai szál rekord 307 km (014)

3 Biztató jelek - szabadtér 1991 első megvalósítás, 30 cm-es távon laboratóriumi körülmények között: 05 méter külső körülmények között: 75 méter 1998 Los Alamos National Laboratory, 950 méteres táv, éjszakai körülmények 00 ugyanez a kutatólaboratórium demonstrálta 10 kilométeres távon (9,81 km), nappali és éjjeli időszakban is km nemzetközi kutatócsoport 015 folytatódó munka 3

4 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) 4

5 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 5

6 Gondolatok az űrkorszakról A dongó fizikailag nem lenne képes repülni. De a dongó ezzel nincs tisztában, úgyhogy továbbra is repül. (Mary Kay Ash) 6

7 Az űrkommunikáció kezdetei Szputnyik-1 (1957. október 4.) SCORE (1958. december 18.) Intelsat-1A (1965. április. 6.) Képek forrása: 7

8 Műholdpályák Műholdpályák LEO GEO 8

9 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 kvantumkommunikációt 9

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

11 Problémakör Az űrkommunikációban potenciálisan használandó kvantumalgoritmusok 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? 11

12 Űr-űr kvantumkommunikáció modellezése 1

13 Föld-űr kvantumkommunikáció modellezése 13

14 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. 14

15 Csatornamodell () Űr-űr kommunikációban a nyaláb ún. félértékszélessége: ρ = 4L k D A DA + 4 D A : az adó apertúra átmérője L: csatornahossz k: lézer hullámszáma Légkörben: ahol ρ = ρ 4L k D A A D ρ0 k DA a Hufnagel-Valley modellből számolva + 4L L 5/3 0 = z 1.46k Cn z 1 d L L 1 z W 5 10 h Cn = h 10 exp h h exp + A exp /5 ρ 1/3 C n 6/5 : turbulenciaerősség h :a tengerszint feletti magasság W: a magas légköri szélsebesség (tipikus: 1 m/s) A: turbulencia erőssége a talaj közelében (tipikus: m -/3 )

16 Csatornamodell (3) A teljes transzmittancia τ = τ τ AIR DET τ DET A fotonok hány százaléka érkezik meg a fotonoknak egy R B sugarú, kör alakú detektorba ahol τ AIR Veszteségek a légkör fényszóró és elnyelő tulajdonságai miatt. τ AIR = exp i s + a ΔL i i i ΔL i adott réteg s: szórási koefficiens a: abszorpciós koeficciens s és a: függ az időjárástól és a helytől! 16

17 A BB84 protokoll vizsgálata (1) Kvantum bithibaarány (QBER) QBER bitráta p pol p dark n η μ p pol a polarizációmérés hibája p dark a hibásan regisztrált beütések gyakorisága n a detektorok száma η a lézer pulzusokban az átlagos foton szám pedig a detektorok hatásfoka. 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. R 1 f LÉZER m h f LÉZER a lézer elsütésének frekvenciája 17

18 A BB84 protokoll vizsgálata () QBER p pol p dark n η μ Mérsékelt égövi terület, nyár. Műhold pályamagassága: 300 km Tiszta idő: 3 km Ködös idő: 5 km Alice apertúra mérete: 0, m P pol =0.05; P dark = 10-4 ;n=4; m=0.1; h=

19 Quantum Satellite Communication Simulator Elérhető a neten 19

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

21 QBER-értékek összehasonlítása wavelength: 860 nm, targeting angular error: 1 mrad, 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: x10-7, efficiency of quantum operations by Bob: 0.. 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

22 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. 1-5.

23 SpooQySats SPEQS- demos SpooQy-1 - engineering pathfinder; SpooQy- science demonstration

24 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 4

25 Összefoglalás () 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 10-0 kbps sebességgel lehetséges a kulcsszétosztás 5