NICT desarrolló el transmisor de comunicaciones cuánticas (SOTA) más pequeño y liviano del mundo a bordo del microsatélite SOCRATES. Tuvimos éxito en la demostración del primer experimento de comunicación cuántica desde el espacio, recibir información del satélite en un régimen de fotón único en una estación terrestre óptica en la ciudad de Koganei. SOTA pesa 6 kg y su tamaño es de 17,8 cm de largo, 11,4 cm de ancho y 26,8 cm de alto. Transmite una señal láser al suelo a una velocidad de 10 millones de bits por segundo desde una altitud de 600 km a una velocidad de 7 km / s. Logramos detectar correctamente la señal de comunicación de SOTA moviéndose a esta velocidad rápida. Este es un paso importante hacia la construcción de una red mundial de comunicaciones por satélite de larga distancia y verdaderamente segura.

Como resultado de esta investigación, NICT demostró que la comunicación cuántica por satélite se puede implementar con pequeños satélites de bajo costo, lo que hace posible el uso de esta tecnología clave. Es un logro que abre una nueva página en el desarrollo de las futuras redes de comunicación global y un gran impulso para la industria espacial.

Los resultados de esta investigación fueron aceptados para su publicación en Fotónica de la naturaleza .

Las tecnologías necesarias para lanzar pequeños satélites a bajo coste han progresado enormemente durante este siglo. y se están realizando importantes esfuerzos para desarrollar constelaciones de satélites para lograr una red de comunicación global que cubra toda la Tierra. Sin embargo, existe la necesidad de una tecnología que pueda transmitir grandes cantidades de información desde el espacio al suelo en cortos períodos de tiempo, y las bandas de RF actuales ya están congestionadas, creando un cuello de botella en la capacidad de comunicación.

Mediante el uso de láseres, La comunicación óptica por satélite tiene una banda de frecuencia fácilmente disponible y puede transmitir con mayor eficiencia energética y con terminales más pequeños y livianos. Por lo tanto, Se espera que sea una tecnología clave para apoyar las futuras redes de comunicaciones por satélite. Comunicación cuántica, y mas especificamente, La distribución de claves cuánticas (QKD) es otra tecnología clave para garantizar la seguridad de la información de las próximas redes de comunicaciones globales. Los enlaces QKD actuales están limitados a varios cientos de km, por lo tanto, implementar QKD satélite-tierra es un paso fundamental en este esfuerzo. La investigación de QKD se lleva a cabo activamente en Japón, Porcelana, Europa, Canadá y Estados Unidos (ver información complementaria sobre tendencias recientes de investigación y desarrollo). En agosto de 2016, la Universidad de Ciencia y Tecnología de China lanzó un gran satélite de comunicaciones cuánticas (635 kg) y realizó un experimento de entrelazamiento cuántico con dos estaciones terrestres.

SOTA es el transmisor de comunicaciones cuánticas más pequeño y ligero del mundo (6 kg de peso, 17,8 cm de longitud, 11,4 cm de ancho, y 26,8 cm de altura) se embarcaron en el microsatélite SÓCRATES (ver Fig.1). SOTA transmitió dos estados de polarización, codificar ceros y unos (ver Fig.2a, b) al suelo a una velocidad de 10 millones de bits por segundo. Las señales de SOTA se recibieron en la estación terrestre óptica NICT en la ciudad de Koganei de Tokio utilizando un telescopio de 1 m (ver Fig. 2c) para recolectar los fotones transmitidos y guiarlos al receptor cuántico (ver Fig. 2d), que decodificó la información utilizando un protocolo QKD.

La señal que llega al telescopio de 1 m es extremadamente débil, con una media de 0,1 fotones por pulso recibido. NICT desarrolló la tecnología para realizar la sincronización de tiempo y la coincidencia del marco de referencia de polarización entre el satélite y la estación terrestre directamente a partir de las señales QKD, así como un receptor cuántico capaz de detectar una señal tan débil con poco ruido. Demostramos la primera comunicación cuántica del mundo desde un microsatélite de 50 kg. Esto permitirá el desarrollo de futuros enlaces seguros desde el espacio a través de la criptografía cuántica para evitar por completo la fuga de información.

La tecnología desarrollada en este proyecto demostró que la comunicación cuántica por satélite se puede implementar mediante el uso de microsatélites ligeros de bajo costo. Por lo tanto, Se espera que muchos institutos de investigación y empresas interesadas en esta tecnología aceleren la aplicación práctica de la comunicación cuántica desde el espacio. Además, Dado que se demostró que la comunicación a larga distancia es posible con muy poca energía eléctrica, esto abrirá un camino para acelerar la comunicación óptica del espacio profundo con las naves espaciales de exploración.

En el futuro, planeamos aumentar aún más la velocidad de transmisión y mejorar la precisión de la tecnología de seguimiento para maximizar la entrega segura de claves desde el espacio al suelo mediante el uso de criptografía cuántica que permita una red de comunicación global verdaderamente segura, cuya confidencialidad está actualmente amenazada por el próximo desarrollo de las computadoras cuánticas.

Las tecnologías necesarias para lanzar pequeños satélites a bajo coste han avanzado enormemente en los últimos años, y al lanzar un gran número de satélites a la órbita terrestre baja, Las redes de comunicación global que cubren toda la Tierra en forma de constelaciones de satélites se están convirtiendo en una realidad. Estas constelaciones tendrán que lidiar con una enorme cantidad de datos para ser transferidos a la Tierra en cortos periodos de tiempo (ya que el paso típico de un satélite LEO es de varios minutos). Adicionalmente, la tecnología de RF se está volviendo obsoleta y el espectro de radio congestionado. La comunicación óptica por satélite tiene un espectro fácilmente disponible y el potencial de aumentar la cantidad de datos transmitidos mientras se reduce la potencia. masa y peso de los terminales.

La comunicación con láser espacial se ha demostrado en muchas misiones, principalmente en Japón, Europa y EE. UU. En mayo de 2014, NICT desarrolló un pequeño terminal de comunicaciones láser (SOTA) y lo lanzó a bordo del microsatélite SÓCRATES en una órbita sincrónica del sol de 600 km. NICT realizó con éxito una variedad de experimentos de comunicación láser, y desde 2016, Se llevó a cabo una nueva campaña de experimentos de comunicación cuántica.

La comunicación cuántica es una tecnología esencial para realizar la criptografía cuántica, que puede proteger completamente el intercambio de claves criptográficas de cualquier fuga de información. Los satélites pueden aumentar significativamente el rango de enlaces QKD ya que las pérdidas son menores que cuando se utilizan fibras ópticas, que normalmente se limita a unos 200 km, permitiendo intercambios intercontinentales de claves secretas.

En agosto de 2016, la Universidad de Ciencia y Tecnología de China lanzó un gran satélite de comunicación cuántica (635 kg) y realizó un experimento de entrelazamiento cuántico con dos estaciones terrestres (J. Yin et al., Ciencias, 356 (6343), Junio ​​de 2017). El equipo chino también está realizando experimentos sobre criptografía cuántica a escala intercontinental utilizando este satélite (E. Gibney, Naturaleza , 535, 2016).

La comunicación por láser por satélite y la comunicación cuántica son tecnologías emergentes con un gran potencial en las futuras redes de comunicación a escala mundial. y están atrayendo una gran atención de muchas instituciones de investigación importantes de todo el mundo.

La mayoría de los fotones SOTA transmitidos se pierden antes de llegar al receptor debido a la divergencia del rayo láser y la apertura limitada del telescopio para recoger los fotones. Adicionalmente, muchos fotones se dispersan y absorben en la atmósfera. Como resultado, la señal que llega al OGS es extremadamente débil, llevando un promedio de menos de 0.1 fotones por pulso. Dado que estas señales débiles no se pueden detectar mediante fotodetectores convencionales, el receptor cuántico utilizó detectores extremadamente sensibles conocidos como contadores de fotones que pueden detectar fotones individuales. Esto permite una comunicación más eficiente que la comunicación óptica por satélite convencional. También, mediante el uso de señales con menos de un fotón por pulso, la criptografía cuántica puede detectar la presencia de un fisgón, lo que permite entregar claves secretas de forma confidencial.

Para realizar la comunicación cuántica y la criptografía cuántica con una señal tan débil, un paso clave es sellar con precisión la hora de las señales para que sean claramente reconocidas en el receptor cuántico. Por lo tanto, es necesario sincronizar con precisión las señales entre SÓCRATES y el OGS para detectar los bits transmitidos sin errores. También es necesario realizar una adaptación del eje de polarización, porque los marcos de referencia cambian debido al movimiento relativo entre el satélite y la estación terrestre. Solo Japón y China han podido demostrar estas tecnologías en el espacio, pero China lo hizo utilizando un satélite de clase de 600 kg, mientras que Japón lo hizo utilizando un satélite de clase de 50 kg.

Dado que el satélite se mueve a alta velocidad en relación con el OGS (aproximadamente 7 km / s), la longitud de onda de la señal láser Doppler cambió a una longitud de onda más corta al acercarse al OGS, ya una longitud de onda más larga cuando se aleja del OGS. Debido al efecto Doppler, es necesario realizar una sincronización horaria precisa para detectar correctamente las largas secuencias de bits sin errores. En el experimento de comunicación cuántica de China, esta sincronización se realizó mediante el uso de un láser dedicado que transmite una señal de sincronización. Por el contrario, NICT pudo llevar a cabo esta sincronización utilizando la propia señal cuántica. Una secuencia de sincronización especial de aproximadamente 32, 000 bits se utilizaron en la señal de comunicación cuántica para este propósito, y el receptor cuántico fue capaz de realizar no solo la comunicación cuántica, sino también la sincronización y el eje de polarización que coinciden directamente, utilizando solo la señal cuántica débil. En este experimento, NICT logró demostrar por primera vez que la tecnología de comunicación cuántica se puede implementar en satélites pequeños.

La figura 4 muestra la órbita de SÓCRATES, así como el cálculo y medición del desplazamiento Doppler del experimento realizado el 5 de agosto, 2016. Como se muestra en la Fig. 4a, SÓCRATES sobrevoló el Océano Pacífico de sur a norte y alcanzó la distancia más cercana de 744 km a la estación terrestre óptica NICT a las 22:59:41 hora de Japón. Se estableció un enlace de comunicación durante dos minutos y 15 segundos en ese momento. La Fig. 4b muestra el valor teórico del desplazamiento Doppler predicho a partir de la información de la órbita de SÓCRATES. y la Fig. 4c muestra el valor experimental. El valor observado del desplazamiento Doppler mostró un buen acuerdo con la teoría, y el cambio de frecuencia debido al desplazamiento Doppler podría corregirse con precisión. Basado en esta corrección de frecuencia, la sincronización de tiempo entre el satélite y la estación terrestre se estableció al mismo tiempo que se corrigió con precisión el cambio del intervalo de tiempo de los fotones provenientes de SÓCRATES cada segundo.

Después de establecer la sincronización horaria, la señal del fotón se transforma en ceros y unos digitales. Sin embargo, debido al cambio de posición de bit, todavía es necesario hacer coincidir la secuencia de bits transmitida desde SOTA con la secuencia de bits recibida en el OGS. Como se muestra en la Fig.5, analizando la correlación cruzada de la secuencia de sincronización de aproximadamente 32, 000 bits, esta coincidencia se pudo realizar con éxito. La figura 5b muestra el pico de correlación en el 29, Posición de bit 656, lo que significa que esto se considera como el origen en el OGS, para que la secuencia se pueda decodificar correctamente.

La figura 6 muestra un ejemplo de un histograma de la serie de fotones detectados por el receptor cuántico. Las señales Tx2 y Tx3 muestran los fotones transmitidos por SOTA y el histograma muestra cómo los fotones detectados están relacionados con la señal original. Esto demuestra que la sincronización podría establecerse con precisión utilizando directamente la señal cuántica, incluso en presencia de pérdidas significativas.

Dado que SÓCRATES se mueve en relación con la estación terrestre, el marco de referencia de polarización entre SOTA y OGS cambia constantemente. Para que un enlace de comunicación cuántica se establezca correctamente, el marco de referencia de polarización debe ser el mismo. Si este cambio relativo no se corrige, los estados de polarización correspondientes a ceros y unos no pueden identificarse con precisión. La Fig.7 muestra el ángulo de polarización predicho de los fotones transmitidos desde SOTA para ceros y unos, así como los ángulos medidos, llegando a un buen acuerdo entre ambos. La predicción teórica se calculó utilizando la información orbital de SÓCRATES, así como su cambio de actitud durante el paso por Japón. Al hacer coincidir el marco de referencia, podría medirse una tasa de error de bits cuántico tan baja como el 3,7 por ciento. Esto demuestra que la comunicación cuántica es factible desde el espacio, ya que está por debajo del 10 por ciento, se utiliza con frecuencia como condición para que la criptografía cuántica sea segura. Esta representa la primera demostración de este tipo que utiliza un microsatélite de clase de 50 kg.