Privat och säker kommunikation är av grundläggande betydelse i den moderna världen. Traditionell kryptografi med öppen nyckel bygger på beräkningsbarheten hos vissa matematiska funktioner. Däremot, QKD 1 -som föreslogs i mitten av 1980-talet och är det mest kända exemplet på en uppgift som involverar kvantkryptografi-ger en informationssäker lösning på det viktiga utbytesproblem, som säkerställs genom lagar kvantfysik. QKD gör det möjligt för två fjärran användare som inte först delar någon information att producera en gemensam, slumpmässig sträng av hemliga bitar, som kallas en hemlig nyckel. Med hjälp av en-time-pad kryptering, denna nyckel ger ett bevisligen säkert 2 sätt att kryptera (och dekryptera) ett meddelande, som sedan kan överföras över en vanlig kommunikationskanal. I QKD är informationen kodad i superpositionstillstånden för fysiska bärare på enkvantnivå; som de snabbast resande qubits, och på grund av deras inneboende robusthet till dekoherens och den lätthet med vilken de kan kontrolleras, fotoner används vanligtvis som fysiska bärare. Varje tjuvlyssnare på kvantkanalen som försöker få information om nyckeln kommer oundvikligen att införa störningar i systemet, och så kan upptäckas av de kommunicerande användarna. Sedan det första QKD-experimentet med bordsskiva 3 1989, med ett kvantkanalavstånd på 32 cm, har mycket forskning ägnats åt att uppnå säker QKD över långa avstånd, med det yttersta målet att vara globalt säkert QKD för praktisk användning. Den enklaste metoden för QKD är att skicka enstaka fotoner genom optiska fibrer eller markfri yta direkt. I båda dessa fall orsakar dock kanalförlusten en minskning av antalet överförda fotoner som fjällar exponentiellt med den längd över vilken de överförs. Till skillnad från klassiska telekommunikationer, kvantsignalen i QKD kan inte ljudlöst förstärkas, på grund av kvant icke-kloning teorem 4, begränsa det maximala avståndet för säker QKD till några hundra kilometer 5. Bortom denna längdskala blir kvantkommunikationen extremt utmanande 6. En lösning på detta problem är att använda kvant repeaters 7 som kombinerar trassling byta 8, trassling rening 9 och kvantminnen 10. Men trots anmärkningsvärda framsteg i demonstrationerna av de tre byggstenarna 11-13 och till och med prototypkvantrepeternoder [14] [15] [16] [17] [18] är dessa laboratorietekniker fortfarande långt ifrån tillämpliga i praktisk kvantkommunikation på lång sikt. En mer direkt och lovande lösning för global QKD involverar satelliter i rymden. Jämfört med markbundna kanaler har satellit-till-mark-anslutningen avsevärt minskat förlusterna 19. Detta beror främst på att atmosfärens effektiva tjocklek endast är ca 10 km, och de flesta fotonernas spridningsväg är i tomrum med försumbar absorption och turbulens. Ett marktest 20 under 2004 visade fördelningen av insnärjda fotonpar över en bullrig nära jordatmosfär på 13 km större än den effektiva tjockleken på atmosfären-och visade överlevnaden av insnärjning och ett brott mot Bells ojämlikhet. Under simulerade förhållanden av enorm dämpning och olika typer av turbulens, genomförbarheten av satellitbaserade QKD har ytterligare verifierats på ännu längre avstånd [21] [22] [23], på snabbt rörliga plattformar 24,25 och med hjälp av satellit hörn-kube reflexorer 26, 27. Vi utvecklade en sofistikerad satellit, "Micius", tillägnad kvantvetenskapliga experiment, som framgångsrikt lanserades den 16 augusti 2016 från Jiuquan, Kina, och nu omloppsbanor på en höjd av ca 500 km ( Bild. 1a; se Metoder för projektets tidslinje och konstruktionsdetaljer). Med hjälp av en av satelliten nyttolaster-en decoy-state QKD-sändare på en våglängd av 850 nm-och samarbeta med Xinglong mark observatorium station (nära Peking, 40° 23′ 45.12′′ N, 117° 34′ 38.85′′ E, höjd av 890 m), etablerar vi decoy-state QKD med Quantum nyckelfördelning (QKD) använder individuell ljus quanta i kvant superposition stater för att garantera ovillkorlig kommunikation säkerhet mellan avlägsna parter. Det avstånd över vilket QKD kan uppnås har dock begränsats till några hundra kilometer, på grund av den kanalförlust som uppstår vid användning av optiska fibrer eller markfritt utrymme som exponentiellt minskar fotonöverföringshastigheten. Satellitbaserad QKD har potential att hjälpa till att etablera ett globalt kvantnät, på grund av den försumbara fotonförlust och dekoherens som erfares i tomrum. Här rapporterar vi om utvecklingen och lanseringen av en låg-jord-orbit satellit för att genomföra lockbete-state QKD-en form av QKD som använder svaga sammanhängande pulser vid hög kanalförlust och är säker eftersom foton-nummer-splitting tjuvlyssnar kan upptäckas. Vi uppnår en kilohertz nyckelhastighet från satelliten till marken på ett avstånd av upp till 1.200 kilometer. Denna nyckelhastighet är omkring 20 storleksordningar större än vad som förväntas med hjälp av en optisk fiber av samma längd. Inrättandet av en tillförlitlig och effektiv rymd-till-jord-länk för kvantstat-överföring banar väg för globala kvantnät. © 2017 Macmillan Publishers Limited, en del av Springer Nature. Alla rättigheter förbehållna. 4 4 0 1 7 polariseringskodning från satelliten till marken med en kilohertz nyckelhastighet över ett avstånd av upp till 1.200 km. Robust och effektiv satellit-till-mark QKD ställer ett strängare krav på länkens effektivitet än konventionella satellitbaserade klassiska kommunikationssystem. För att uppnå ett högt signal-till-brusförhållande kan man inte öka signaleffekten, bara minska kanaldämpningen och bakgrundsljudet. I vårt experiment bidrar flera effekter till kanalförlust, inklusive stråldiffraktion, pekarfel, atmosfärisk turbulens och absorption. I vårt QKD-experiment antar vi nedlänksprotokollet från satelliten till marken (se bild). Denna förordning träder i kraft den tjugonde dagen efter det att den har offentliggjorts i Europeiska unionens officiella tidning. I nedlänken, strålar vandrande orsakas av atmosfärisk turbulens inträffar i slutet av överföringsvägen (nära jordytan), där strålen storlek på grund av diffraktion är typiskt mycket större än strålen vandrande. Därför har nedlänken minskat strålspridningen jämfört med upplänken och därmed högre länkeffektivitet. Strålens diffraktion beror huvudsakligen på teleskopets storlek. För att minska strålskillnaderna använder vi ett 300 mm brett Cassegrain teleskop i satelliten (Fig. 1b), optimerad för att eliminera kromatiska och sfäriska avvikelser; detta teleskop skickar ljusstrålen med en nära-diffraktion-begränsad långt fält divergens på ca 10 μ rad. Efter att ha färdats 1 200 km, förväntar vi oss att stråldiametern expanderar till ca 12 m. Vid markstationen, ett Ritchey-Chretien teleskop med en öppning på 1 m och en brännvidd på 10 m (Fig. 1c ) används för att ta emot QKD fotonerna (se Metoder). Diffraktionsförlusten uppskattas till 22 dB vid 1200 km. Den smala divergensstrålen från den snabbrörliga satelliten (hastighet ca 7,6 km –1 ) kräver ett högbandsbredd- och högprecisionssystem för förvärv, pekande och spårning (APT) för att etablera en stabil länk. Vi designade flera stegs APT-system i sändaren (Fig. 1b) och mottagaren (Fig. 1c)........................................................................................................... Initial grov orientering av teleskopet baseras på den prognostiserade omloppsläge satelliten, med en osäkerhet på mindre än 200 m. Satellitens attityd kontrollsystem säkerställer att sändaren pekar till markstationen med en precision på ca 0,5°. Satelliten och markstationen skickar signallasrar till varandra med en divergens på 1,25 mrad (satellit till marken) och 0,9 mrad (jord till satellit) (Fig. 2a)................................................................................................ Det grova pekande stadiet i satellitsändaren består av en tvåaxlig gimbal spegel (med ett intervall på 10° i både azimut och höjd) och en kompletterande metalloxid halvledare (CMOS) kamera med ett synfält på 2,3° × 2,3° och bildhastigheter på 40 Hz. Den fina pekande scenen använder en snabbstyrande spegel driven av piezo keramik (med ett spårningsområde på 1,6 mrad) och en kamera med ett synfält på 0,64 mrad × 0,64 mrad och bildhastigheter på 2 kHz. Liknande grova och fina APT-system installeras också i markstationen (se Extended Data Table 1 för närmare information). Med hjälp av feedback från slutet kretslopp uppnår sändaren en spårningsnoggrannhet på cirka 1,2 μ rad (Fig. 2b), mycket mindre än strålen divergens. Vi uppskattar att vid 1200 km förlust på grund av atmosfärisk absorption och turbulens är 3-8 dB och att på grund av peka fel är mindre än 3 dB.. Micius-satelliten, som väger 635 kg, flyger längs en solsynkron omloppsbana på en höjd av omkring 500 km. Den är utrustad med tre nyttolaster, konstruerade och testade för att vara lämpliga för drift i lågjordisk omloppsbana och för att möjliggöra en serie kvantexperiment från rymden till marken, inklusive QKD, en Bell-test och teleportation. B, Schematisk av den lockbete-state QKD-sändaren, en av satellitens nyttolaster. Förstärkta laserpulser (med våglängder på ca 850 nm) från åtta separata laserdioder (LD1-LD8) passerar genom en BB84-kodningsmodul, som består av två polariserande stråldelare (PBS), en halvvågsplatta (HWP) och en stråldelare (BS). Den resulterande strålen samordnas sedan med en grön laserstråle (LA1; 532 nm) för systemspårning och tidssynkronisering, och skickas ut genom ett 300 mm-aperture Cassegrain teleskop. Efter BB84-modulen används en cirka 5-μW-laser som polarisationsreferens. En tvåaxlig gimbal spegel (GM1) i utloppet av teleskopet och en stor-field-of-view kamera (CAM1) kombineras för att styra grov-tracking loop. Två snabba styrspeglar (FSM1) och en snabbkamera (CAM2) används för finspårning. ATT, dämpare; POL, polarizer; RLD, polarisationsreferenslaserdiod; båda kamerorna (CAM1 och CAM2) detekterar 671-nm ljus. c, Schematisk för den lockbete-state QKD-avkodaren vid Xinglongs markstation, som är utrustad med ett 1000 mm-aperturteleskop. Den mottagna 532-nmvåglängdslasern separeras av en dikrom spegel (DM) och delas upp i två vägar: den ena avbildas av en kamera (CAM3, som detekterar 532-nm ljus) för spårning och den andra avkänns för tidssynkronisering. De 850-nm-våglängdsdecoy-state fotonerna analyseras av en BB84-dekoder, som består av en strålsplitter och två polariserande stråldelare, och detekteras av fyra enfotondetektorer (SPD1-SPD4 Vi använder tids- och spektralfiltrering för att dämpa bakgrundsbruset. Fyrlasern, med en pulsbredd på 0,9 ns och en repetitionsfrekvens på cirka 10 kHz, används för både APT och synkronisering. I god samorientering med QKD-foton kan beacon-lasern separeras med en dikromspegel och detekteras av en enfotondetektor i markstationen för att få tidsinformation. På så sätt undviker vi avdriften mellan mellanslagsklockan och får en synkroniseringsjitter på 0,5 ns, som används för att märka de mottagna signalfoton inom ett 2-n tidsfönster och filtrera bort bakgrundsljudet. Dessutom använder vi ett bandbreddsfilter i mottagaren för att minska bakgrundsspridningen. I det nuvarande experimentet begränsar vi oss till nattetid för att undvika solljus. Slutligen framkallar satellitens och markstationens relativa rörelse en tidsberoende rotation av den fotonpolarisering som mottagaren ser. Vi förutspår teoretiskt att polarisationskontrastförhållandet skulle minska från 150:1 till 0 under en omloppsbana (Fig. 2c)........................................................................................................... För att lösa detta problem beräknar vi rotationsvinkelns förskjutning genom att ta hänsyn till satellitens och markstationens relativa rörelse och alla birefringenta element i den optiska banan. Med hjälp av en motoriserad halvvågsplatta för dynamisk polariseringskompensation under satellitpassagen ökar den genomsnittliga polarisationskontrastkvoten till 280:1 (Fig. 2c)........................................................................................................... Vi använder lockbete-state 28,29 Bennett-Brassard 1984 (BB84) 1 protokoll för QKD, som kan upptäcka fotonnumrering tjuvlyssna och därmed möjliggöra säker QKD med svaga sammanhängande pulser över mycket stora avstånd och med mycket höga nyckelhastigheter. Huvudidén är att använda flera intensitetsnivåer vid källan till sändaren: en signal tillstånd (medelfoton antal μ s ) och flera slumpmässigt interspersed lockbete tillstånd (μ 1, μ 2,...). Här använder vi ett protokoll med tre intensitetsnivåer: hög μs, måttlig μ1 och noll μ2 (vakuum), som skickas med sannolikheter på 50%, 25% respektive 25%. Dessa intensitetsnivåer optimeras genom simuleringar för att maximera den hemliga bithastigheten för satellit-till-jord-kanalen. För nedlänk QKD är en sändare (utformad och testad för att vara lämplig för drift i lågjordisk omloppsbana) integrerad i satelliten (se bild. Denna förordning träder i kraft den tjugonde dagen efter det att den har offentliggjorts i Europeiska unionens officiella tidning. Åtta fiberbaserade laserdioder-fyra som används som signal och fyra som lockbete-emit laserpulser (848.6 nm, 100 MHz, 0,2 ns). Uteffekten hos de åtta laserdidorna övervakas i realtid av interna integrerade fotodetektorer och fjärrstyrs av slutna loopsystem, som exakt anger den önskade intensiteten i signal- och lockbetetillstånd och stabiliseras med mindre än 5 % variation. In-orbit mätningar visar att med oberoende temperaturinställning av de åtta lasers deras våglängder matchas till inom 0,006 nm, mycket mindre än deras inneboende bandbredd (ca 0,1 nm). Lasrarna är synkroniserade till att vara inom < 10 hk, mycket mindre än deras puls varaktighet på cirka 200 hk. Utgångsbalkarna är sammanstrålade för att säkerställa att både koncentricitet och koaxialitet är bättre än 95 %. Ljusstrålarna skickas sedan till en BB84-kodningsmodul bestående av en halvvågsplatta, två polariserande stråldelare och en strålsplitter, som slumpmässigt förbereder de avgivna fotonerna i ett av de fyra polariseringstillstånden: horisontellt, vertikalt, linjärt + 45° eller linjärt − 45°. En fysisk värmebuller anordning genererar ett 4-bitars slumpmässigt tal för varje körning som driver de åtta lasers och bestämmer utgången polarisering och intensitetsnivåer. Oberoende elektrisk styrning av de åtta lasrarna och justering av dämpningen gör det möjligt för oss att exakt få fram det genomsnittliga fotonnumret i teleskopets utgång: μ s = 0,8, μ 1 = 0,1 och μ 2 = 0. I markstationen används en kompakt avkodning som består av en stråldelare, två polariserande stråldelare och fyra enfotondetektorer (effektivitet, 50%; mörka värden, < 25 Hz; timingjitter, 350 hk) för polariseringsanalys (se bild). 1c och metoder). Den totala optiska verkningsgraden, inklusive mottagarteleskopet och fiberkopplingen på markstationen, är cirka 16 %. Satelliten använder en radiofrekvenskanal för klassisk kommunikation med markstationen (med en upplänk och nedlänk bandbredd på 1 Mbit, respektive), och dess experimentella kontrollbox nyttolast för att utföra siktning, felkorrigering och integritet förstärkning. Satelliten passerar Xinglong markstation längs en Sunsynkron omlopp en gång varje natt med början omkring 00:50 lokal tid, under en tid av ca 5 minuter. Omkring 10 minuter innan satelliten går in i skuggzonen, anpassas dess inställning till punkten vid markstationen. När satelliten överskrider en höjdvinkel på 5° från horisonten (visas som antalet upptäckta händelser normaliseras av det maximala antalet i varje bin) av X- och Y-axlarna som extraheras från realtidsbilder avläses ut från den snabba kameran. c, polariseringskontrastförhållande med (motsvarande vårt experiment) och utan (definierad teoretiskt) dynamisk kompensation under en omloppsbana. © 2017 Macmillan Publishers Limited, en del av Springer Nature. Alla rättigheter förbehållna. 5 4 9 7 s e p t e m b e r 2 0 1 7 plan på markstationen, en punktnoggrannhet som är bättre än 0,5° uppnås. APT-systemen startar sedan dubbelriktad spårning och pekar för att garantera att sändaren och mottagaren är stabilt låsta i hela omloppsbanan. Från en höjdvinkel på ca 15° sänder QKD-sändaren slumpmässigt modulerade signaler och lockbilder, tillsammans med beaconlasern för tidssynkronisering, som tas emot och upptäcks av markstationen. Ett singel-orbit experiment slutar när satelliten återigen når en höjdvinkel på 10°, denna gång på sin nedstigning (se Metoder). Sedan september 2016 har vi rutinmässigt kunnat utföra QKD under goda atmosfäriska förhållanden. På bild. 3a visar vi data för omloppsbanan den 19 december 2016, med en minimal (maximal) separation på 645 km (1 200 km). Inom en varaktighet av 273 s för QKD-datainsamlingen samlade markstationen in 3,551.136 detektionshändelser, motsvarande 1,671.072 bitar av siktade nycklar (se bild. Denna förordning träder i kraft den tjugonde dagen efter det att den har offentliggjorts i Europeiska unionens officiella tidning. Den siktade nyckelhastigheten minskar från cirka 12 kbits −1 vid 645 km till 1 kbits −1 vid 1200 km, på grund av ökningen av både det fysiska separationsavståndet och den effektiva tjockleken på atmosfären nära jorden vid mindre höjdvinklar. Tidsspåret för den siktade nyckelhastigheten i Bild. 3b visar att vi på ett tillförlitligt sätt kan få fram nycklarna under hela datainsamlingens varaktighet. Men mer uttalad fluktuation i nyckelhastigheten observeras nära de centrala punkterna i omloppsbanan, när satelliten passerar direkt över markstationen och dess effektiva vinkelhastighet når sitt maximum (ca 1° s ), vilket ställer stränga krav på APT-systemet. På bild. 3c vi visar den observerade kvantbit felfrekvensen, med ett genomsnitt på 1,1%, som överensstämmer med den förväntade felfrekvensen på grund av bakgrundsbuller och polarisering synlighet. Kvantbitarnas felfrekvens är något högre i andra halvan av omloppsbanan, när markteleskopet vänder sig mot Peking och så finns det mer bakgrundsljus från staden. Vi utför sedan felkorrigering och integritetsförstärkning för att få de slutliga nycklarna. Efter att slumpmässigt ha blandat den sållade nyckeln används en hammingalgoritm för felkorrigering. Vi utför integritetsförstärkning för att minska den möjliga kunskapen om en tjuvlyssnare genom att tillämpa en slumpmässig matris över de korrigerade tangenterna. Dessutom tar vi hänsyn till intensitetsfluktuationerna för signal- och lockbetetillstånd (< 5%) och, när sannolikheten för det statistiska felet är satt till 10 24, 25, här tar nyckelanalysen inte hänsyn till informationsläckage på grund av eventuella sidokanaler från den ofullständiga rumsliga, temporal och spektral överlappningen av kvantljuskällorna. Användningen av flera laserdioder för olika (signal- och lockbete) tillstånd och intensiteter kan orsaka små (några procent här), icke-idealtillstånd överlappning, som enkelt kan mildras i framtida arbete genom att använda smalbandsspektralfiltrering eller genom att anta lockbete-state QKD-sändare med endast en laserdiod och modulera det skapade tillståndet externt. De QKD-experiment som utfördes under 23 olika dagar, med olika fysiska avstånd mellan satelliten och markstationen, sammanfattas i Extended Data Tabell 2 och Extended Data Bild. 1................................................................ Den kortaste satellit-till-station avstånd beror på den högsta höjden vinkeln på dagen, och varierar från 507.0 km vid 85.7° till 1.034.7 km vid 25.0°. Den siktade nyckeln som erhålls har en topphastighet på 40,2 kbits −1 vid 530 km och minskar för större avstånd, till exempel till 1,2 kbits −1 vid 1 034,7 km. Från Extended Data Bild. 1, Vi observerar också fluktuationen i nyckeltalet på grund av olika väderförhållanden. Kvantbitarnas felfrekvens mäts till 1–3 %. Vi jämför prestandan hos vår satellitbaserade QKD med den förväntade från den konventionella metoden för direkt överföring via optiska telefibrer. På bild. 4 visar vi länken effektivitet över avstånd på 645-1 200 km extraheras från den observerade räkningshastigheten, tillsammans med teoretiskt beräknade länk effektivitet antar fibrer med förlust av 0,2 dB km −1. Trots den korta täckningstiden med hjälp av Micius satellit (273 s per dag) och behovet av någorlunda goda väderförhållanden, observerar vi en förbättring i effektivitet jämfört med telekommunikation fibrer, som ökar för större avstånd; på 1.200 km, kanaleffektiviteten för den satellitbaserade QKD över 273-s täckningstiden är 20 order av magnituder högre än vad som uppnås med hjälp av den optiska fibern. Som jämförelse med våra data i Bild. 3b, över ett avstånd av 1.200 km, även med en perfekt 10- GHz en-foton källa och idealisk en-foton detektorer utan mörk räkning, överföring genom optiska fibrer skulle resultera i bara en 1-bitars siktad nyckel över sex miljoner år. Vi har rapporterat kvantkommunikation från satellit till mark över en avståndsskala på 1200 km. Vår satellit kan användas ytterligare som tabell 2 och utökad databild. 1 för ytterligare uppgifter om olika dagar. © 2017 Macmillan Publishers Limited, en del av Springer Nature. Alla rättigheter förbehållna. 7 s e p t e m b e r 2 0 1 7 V O L 5 4 9 N A t U r e... 4 7 tillförlitliga relä för att bekvämt ansluta två punkter på jorden för hög säkerhet nyckel utbyte. Till exempel kan vi först implementera QKD i Xinglong, varefter nyckeln lagras i satelliten i 2 timmar tills den når Nanshan station nära Urumqi, ett avstånd på cirka 2.500 km från Peking. Genom att utföra en annan QKD mellan satelliten och Nanshan stationen och använda en-gång-pad kodning, en säker nyckel mellan Xinglong och Nanshan kan upprättas. Framtida försöksplaner omfattar interkontinentala säkra nyckelutbyten mellan Kina och Österrike, Italien och Tyskland. Hittills är bristerna i den lågjordiska satelliten begränsade täckningsområden och den tid som tillbringas inom varje markstations räckvidd. För att öka täckningen planerar vi att avfyra satelliter med högre omloppsbanor och bygga en satellitkonstellation, vilket kräver utveckling av nya tekniker för att öka länkeffektiviteten, inklusive större teleskop, bättre APT-system och vågfrontskorrigering genom adaptiv optik. Men högre-orbit satelliter kommer att tillbringa mindre tid i jordens skugga; dagtid QKD kan implementeras med hjälp av telekommunikation-våglängd fotoner och förbättrad rumslig och spektral filtrering 30. Den satellitbaserade QKD kan kopplas till storstadens kvantnät, där fibrer är tillräckliga och bekväma för att ansluta många användare i en stad över avståndsskalor på cirka 100 km (ref. Detta anslag är avsett att täcka utgifter för studier, möten med experter, möten med experter, möten med experter, möten med experter, möten med experter, möten med experter, möten med experter, möten med experter, möten med experter och experter samt andra administrativa utgifter. Vi föreställer oss således ett rymd-mark integrerade kvantnät, vilket möjliggör användbar kvant kryptografi-troligen den första kommersiella tillämpningen av kvantinformation-på global skala. Online Content Methods, tillsammans med ytterligare Extended Data display objekt och Source Data, finns i online-versionen av papperet; referenser som är unika för dessa avsnitt visas endast i online-papper.
I REF har ett QKD-system från satellit till mark över 1 200 kilometer visats.
Satellite‐to‐ground quantum key distribution
{'venue': None, 'journal': 'Nature', 'mag_field_of_study': ['Physics', 'Medicine']}