Kvantum-informatika és kommunikáció 015/016 ősz 015. október 16.
Optikai szál rekord 307 km (014)
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 006 144 km nemzetközi kutatócsoport 015 folytatódó munka 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) 4
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
Gondolatok az űrkorszakról A dongó fizikailag nem lenne képes repülni. De a dongó ezzel nincs tisztában, úgyhogy továbbra is repül. (Mary Kay Ash) 6
Az űrkommunikáció kezdetei Szputnyik-1 (1957. október 4.) SCORE (1958. december 18.) Intelsat-1A (1965. április. 6.) Képek forrása: http://en.wikipedia.org/wiki/file:sputnik_asm.jpg http://en.wikipedia.org/wiki/file:intelsat_i_%8early_bird%9.jpg 7
Műholdpályák Műholdpályák LEO GEO 8
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
Irány az űr L. Bacsardi, On the way to Quantum Based Satellite Communication, IEEE Communications Magazine, 51:(08) pp. 50-55. 10
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
Űr-űr kvantumkommunikáció modellezése 1
Föld-űr kvantumkommunikáció modellezése 13
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
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 + 4 0 1 0.6 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 = 0.00594 h 10 exp + 7 1000 16 h h +.7 10 exp + A exp 1500 100 15 3/5 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: 1.7 10-14 m -/3 )
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
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
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= 0.7 18
Quantum Satellite Communication Simulator Elérhető a neten http://www.mcl.hu/quantum/simulator 19
Transzmittancia elemzése L. Bacsardi, On the way to Quantum Based Satellite Communication, IEEE Communications Magazine, 51:(08) pp. 50-55. 0
QBER-értékek összehasonlítása wavelength: 860 nm, targeting angular error: 1 mrad, Bob s mirror diameter: 1 m, probability of polarization measurement error: 0.0001, 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, 013.06.19-013.06.1. IEEE, pp. 45-49. 1
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, 013.10.14-013.10.17. pp. 1-5.
SpooQySats SPEQS- demos SpooQy-1 - engineering pathfinder; SpooQy- science demonstration
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
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