Los investigadores informan sobre una demostración experimental de una red de distribución de clave cuántica (QKD) de espacio a tierra utilizando un terminal QKD compacto a bordo del laboratorio espacial chino Tiangong-2 y cuatro estaciones terrestres. El nuevo sistema QKD tiene menos de la mitad del peso del sistema que los investigadores desarrollaron para el satélite Micius, que se utilizó para realizar la primera teleconferencia virtual con cifrado cuántico del mundo.

La demostración representa un paso importante hacia la QKD práctica basada en constelaciones de pequeños satélites, una configuración considerada una de las rutas más prometedoras para crear una red de comunicación cuántica global.

"QKD ofrece seguridad incondicional mediante el uso de fotones individuales para codificar información entre dos terminales distantes", dijo Cheng-Zhi Peng, miembro del equipo de investigación de la Universidad de Ciencia y Tecnología de China. "El sistema compacto que desarrollamos puede reducir el costo de implementar QKD al hacer posible el uso de pequeños satélites".

Peng e investigadores de otras instituciones en China describen su nuevo sistema y los resultados experimentales en Optica . También descubrieron que el rendimiento de QKD se puede mejorar mediante la construcción de una red de satélites que orbitan en diferentes ángulos o inclinaciones en relación con el ecuador.

"Nuestro nuevo trabajo demuestra la viabilidad de una red QKD espacial-terrestre basada en una carga útil de satélite compacta combinada con constelaciones de satélites con diferentes tipos de órbita", dijo Peng. "En un futuro cercano, este tipo de sistema QKD podría usarse en aplicaciones que requieren alta seguridad, como asuntos gubernamentales, diplomacia y finanzas".

Reducción del sistema QKD

QKD utiliza las propiedades cuánticas de la luz para generar claves aleatorias seguras para cifrar y descifrar datos. En trabajos anteriores, el grupo de investigación demostró QKD de satélite a tierra y redes cuánticas intercontinentales retransmitidas por satélite utilizando el satélite Micius. Sin embargo, el sistema QKD utilizado a bordo de ese satélite era voluminoso y costoso. Aproximadamente del tamaño de un refrigerador grande, el sistema pesaba alrededor de 130 kg y requería 130 W de potencia.

Como parte del plan de constelación cuántica de China, los investigadores buscaron desarrollar y demostrar una red QKD espacio-tierra más práctica. Para hacer esto, desarrollaron una carga útil compacta que permitió que el Laboratorio Espacial Tiangong-2 actuara como una terminal satelital QKD. La carga útil QKD, que consta de un sistema de seguimiento, un transmisor QKD y un transmisor de comunicación láser, pesaba alrededor de 60 kg, requería 80 W de potencia y medía aproximadamente el tamaño de dos hornos de microondas.

"Esta carga útil se integró lo más posible para reducir el volumen, el peso y el costo mientras se lograba el alto rendimiento necesario para respaldar los experimentos QKD espacio-tierra", dijo Peng. "También tenía que ser muy duradero para soportar condiciones duras, como la fuerte vibración experimentada durante el lanzamiento y el entorno de vacío térmico extremo del espacio".

Los investigadores realizaron un total de 19 experimentos QKD durante los cuales se distribuyeron con éxito claves seguras entre la terminal del laboratorio espacial y cuatro estaciones terrestres en 15 días diferentes entre octubre de 2018 y febrero de 2019. Estos experimentos se realizaron de noche para evitar la influencia del ruido de fondo de la luz del día. .

Los investigadores descubrieron que la órbita de inclinación media (~42°) del laboratorio espacial permitía varias pasadas sobre una sola estación terrestre en una noche, lo que aumentaba el número de claves que podían generarse. También construyeron un modelo para comparar el rendimiento de las redes QKD basadas en satélites con diferentes tipos de órbita. Descubrieron que la combinación de satélites con una órbita de inclinación media como el laboratorio espacial con una órbita sincrónica solar que viaja sobre las regiones polares logró el mejor rendimiento.

Próximos pasos

Los investigadores ahora están trabajando para mejorar su sistema QKD aumentando la velocidad y el rendimiento del sistema QKD, reduciendo costos y explorando la viabilidad de la transmisión QKD de satélite a tierra durante el día. "Estas mejoras permitirían crear una constelación cuántica práctica mediante el lanzamiento de múltiples satélites de órbita baja", dijo Peng. "La constelación podría combinarse con un satélite cuántico de órbita media a alta y redes QKD basadas en fibra en tierra para crear una red cuántica integrada espacio-tierra".

Aunque no forma parte de este trabajo, el 27 de julio se lanzó con éxito al espacio un satélite cuántico aún más pequeño desarrollado por el Laboratorio Nacional de Hefei y la Universidad de Ciencia y Tecnología de China y otros institutos de investigación de China. Este satélite, conocido como micro/nano satélite , pesa aproximadamente una sexta parte del peso del satélite Micius y contiene un sistema QKD que es aproximadamente un tercio del tamaño del que se muestra en la Optica papel. Ese satélite está diseñado para llevar a cabo experimentos QKD de satélite a tierra en tiempo real, lo que representa otro paso importante hacia constelaciones de satélites cuánticos prácticos y de bajo costo. + Explora más

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