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

HTML
DOWNLOAD

Méret: px

Mutatás kezdődik a ... oldaltól:

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

Teréz Molnár
6 évvel ezelőtt
Látták:

1 Bevezetés a kvantum-informatikába és kommunikációba 2016/2017 tavasz május 4.

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

3 Biztató jelek - szabadtér 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 2017 folytatódó munka 3

4 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

5 Optikai szál rekord 307 km (2014) 5

6 6

7 7

8 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) 8

9 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 9

10 Gondolatok az űrkorszakról A dongó fizikailag nem lenne képes repülni. De a dongó ezzel nincs tisztában, úgyhogy továbbra is repül. (Mary Kay Ash) 10

) Képek forrása: http://en.wikipedia.org/wiki/file:sputnik_asm.

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

12 Fotó: NASA 12

13 Műholdpályák Műholdpályák LEO GEO 13

14 Távközlési műholdak 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 kvantumkommunikációt 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 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? 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

Irány az űr Probability of polarization measurement error Quantum efficiency of detector Height above sea level Mirror diameter Number of detectors Wavelength Mean photon number of the signal Total

21 Irány az űr Probability of polarization measurement error Quantum efficiency of detector Height above sea level Mirror diameter Number of detectors Wavelength Mean photon number of the signal Total noise Zenith angle Aperture diameter Targeting angular error Wind speed Season Climate Weather L. Bacsardi and S. Imre, Supporting Space Communications with Quantum Communications Links, Global Space Exploration Conference. Washington D.C., USA, 2012, Paper

22 Csatornamodell (2) Űr-űr kommunikációban a nyaláb ún. félértékszélessége: ρ = 4L 2 k D 2 2 A D A D A : az adó apertúra átmérője L: csatornahossz k: lézer hullámszáma Légkörben: ahol ρ = ρ 4L 2 k D 2 2 A 2 A D ρ0 k D A a Hufnagel-Valley modellből számolva + 4L L 2 5/ = z 1.46k Cn z1 d L L 1 2 z 2 W 5 10 h Cn = h 10 exp h h exp + A exp /5 ρ 1/3 2 C n 6/5 : turbulenciaerősség h :a tengerszint feletti magasság W: a magas légköri szélsebesség (tipikus: 21 m/s) A: turbulencia erőssége a talaj közelében (tipikus: m -2/3 )

23 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! 23

24 A BB84 protokoll vizsgálata (1) Kvantum bithibaarány (QBER) QBER bitráta p pol p dark n η 2 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 2 LÉZER m h f LÉZER a lézer elsütésének frekvenciája 24

25 A BB84 protokoll vizsgálata (2) QBER p pol p dark n 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; m=0.1; h=

26 Quantum Satellite Communication Simulator Elérhető a neten 26

27 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: 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 SPEQS: ENABLING SPACE-BASED QKD Robert Bedington, Tang Zhongkan, Alex Ling CQT NUS

30 SpooQySats SPEQS-2 demos SpooQy-1 - engineering pathfinder; SpooQy-2 science demonstration 30

31 31

32 2016: Kína éve 32

33 33

34 34

35 35

36 : Európa qtspace.eu 36

37 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 37

38 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 kbps sebességgel lehetséges a kulcsszétosztás 38

Hasonló dokumentumok

Kvantumkommunikáció az űrtávközlésben május 10.

Kvantumkommunikáció az űrtávközlésben 2018. május 10. Bevezetés a kvantum-informatikába és kommunikációba, 2018 tavasz Dr. Bacsárdi László BME Hálózati Rendszerek és bacsardi@hit.bme.hu Hálózati Rendszerek