Kvantumkommunikáció az űrtávközlésben május 10.

Átírás

1 Kvantumkommunikáció az űrtávközlésben május 10. Bevezetés a kvantum-informatikába és kommunikációba, 2018 tavasz Dr. Bacsárdi László BME Hálózati Rendszerek és bacsardi@hit.bme.hu Hálózati Rendszerek és 1

2 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 2016 Kína 2018 folytatódó munka Kvantumkommunikáció az űrtávközlésben 2

3 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 2012 Kvantumkommunikáció az űrtávközlésben 3

4 Optikai szál rekord 307 km (2014) Kvantumkommunikáció az űrtávközlésben 4

5 5

6 Kvantumkommunikáció az űrtávközlésben 6

7 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) Kvantumkommunikáció az űrtávközlésben 7

8 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 Kvantumkommunikáció az űrtávközlésben 8

9 Gondolatok az űrkorszakról A dongó fizikailag nem lenne képes repülni. De a dongó ezzel nincs tisztában, úgyhogy továbbra is repül. (Mary Kay Ash) Kvantumkommunikáció az űrtávközlésben 9

10 Az űrkommunikáció kezdetei Szputnyik-1 (1957. október 4.) SCORE (1958. december 18.) Intelsat-1A (1965. április. 6.) Képek forrása: Kvantumkommunikáció az űrtávközlésben 10

11 Fotó: NASA Kvantumkommunikáció az űrtávközlésben 11

12 Műholdpályák Műholdpályák LEO GEO Kvantumkommunikáció az űrtávközlésben 12

13 Távközlési műholdak Kvantumkommunikáció az űrtávközlésben 13

14 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 Kvantumkommunikáció az űrtávközlésben 14

15 Irány az űr L. Bacsardi, On the way to Quantum Based Satellite Communication, IEEE Communications Magazine, 51:(08) pp Kvantumkommunikáció az űrtávközlésben 15

16 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? Kvantumkommunikáció az űrtávközlésben 16

17 Űr-űr kvantumkommunikáció modellezése Kvantumkommunikáció az űrtávközlésben 17

18 Föld-űr kvantumkommunikáció modellezése Kvantumkommunikáció az űrtávközlésben 18

19 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. Kvantumkommunikáció az űrtávközlésben 19

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 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

21 Csatornamodell (2) Űr-űr kommunikációban a nyaláb ún. félértékszélessége: ρ = 4 2 DkL 2 D2 A + 2 A 4 DA : az adó apertúra átmérője L: csatornahossz k: lézer hullámszáma Légkörben: ahol ρ = ρ D L A 4L 2 Dk+ + 2 k4 A ρ0 L 2 5/3 k2 2 0 = z 1.46 Cn 1 Ld L 1 a Hufnagel-Valley modellből számolva W2 h2 Cn = h exp z z h10 exp ha exp 100 Kvantumkommunikáció az űrtávközlésben 21 3/5 ρ D0 A 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 )

22 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 + Δ i i ali i adott réteg s: szórási koefficiens a: abszorpciós koeficciens Δ Ls és a: függ az időjárástól és a helytől! Kvantumkommunikáció az űrtávközlésben 22

23 A BB84 protokoll vizsgálata (1) Kvantum bithibaarány (QBER) QBER bitráta p pol p dark n η 2 μ ppol 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 1f 2 LÉZER f LÉZER a lézer elsütésének frekvenciája Kvantumkommunikáció az űrtávközlésben 23

24 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; =0.1; = 0.7 Kvantumkommunikáció az űrtávközlésben 24

25 Quantum Satellite Communication Simulator Elérhető a neten Kvantumkommunikáció az űrtávközlésben 25

26 QBER-értékek összehasonlítása wavelength: 860 nm, targeting angular error: 1 rad, 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 Kvantumkommunikáció az űrtávközlésben 26

27 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 Kvantumkommunikáció az űrtávközlésben 27

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

29 SpooQySats SPEQS-2 demos SpooQy-1 - engineering pathfinder; SpooQy-2 science demonstration Kvantumkommunikáció az űrtávközlésben 29 Bacsá rdi László, BME Hálóz ati Rends zerek

30 30

31 2016: KÍNA ÉVE Hálózati Rendszerek és 31

32 32

33 33

34 34

35

36

37

38

39 Hálózati Rendszerek és 39

40 : EURÓPA Hálózati Rendszerek és 40

41 Hálózati Rendszerek és 41

42 Hálózati Rendszerek és 42

43 S MI? Hálózati Rendszerek és 43

44 ÖSSZEFOGLALÁS 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 Hálózati Rendszerek és 44