Pesquisadores relatam uma demonstração experimental de uma rede de distribuição de chaves quânticas espaço-solo (QKD) usando um terminal QKD compacto a bordo do Laboratório Espacial Chinês Tiangong-2 e quatro estações terrestres. O novo sistema QKD tem menos da metade do peso do sistema que os pesquisadores desenvolveram para o satélite Micius, que foi usado para realizar a primeira teleconferência virtual criptografada quântica do mundo.
A demonstração representa um passo importante em direção ao QKD prático baseado em constelações de pequenos satélites, uma configuração considerada uma das rotas mais promissoras para a criação de uma rede global de comunicação quântica.

“O QKD oferece segurança incondicional usando fótons únicos para codificar informações entre dois terminais distantes”, disse Cheng-Zhi Peng, membro da equipe de pesquisa, da Universidade de Ciência e Tecnologia da China. "O sistema compacto que desenvolvemos pode reduzir o custo de implementação do QKD ao possibilitar o uso de pequenos satélites."

Peng e pesquisadores de outras instituições na China descrevem seu novo sistema e resultados experimentais em Optica . Eles também descobriram que o desempenho do QKD pode ser impulsionado pela construção de uma rede de satélites orbitando em diferentes ângulos ou inclinações em relação ao equador.

"Nosso novo trabalho demonstra a viabilidade de uma rede QKD espaço-terra baseada em uma carga útil de satélite compacta combinada com constelações de satélites com diferentes tipos de órbita", disse Peng. "Em um futuro próximo, esse tipo de sistema QKD poderá ser usado em aplicações que exigem alta segurança, como assuntos governamentais, diplomacia e finanças."

Reduzindo o sistema QKD

O QKD usa as propriedades quânticas da luz para gerar chaves aleatórias seguras para criptografar e descriptografar dados. Em trabalhos anteriores, o grupo de pesquisa demonstrou QKD satélite-terra e redes quânticas intercontinentais retransmitidas por satélite usando o satélite Micius. No entanto, o sistema QKD usado a bordo desse satélite era volumoso e caro. Do tamanho de uma geladeira grande, o sistema pesava cerca de 130 kg e exigia 130 W de potência.

Como parte do plano de constelação quântica da China, os pesquisadores procuraram desenvolver e demonstrar uma rede QKD espaço-terra mais prática. Para fazer isso, eles desenvolveram uma carga útil compacta que permitiu que o Laboratório Espacial Tiangong-2 atuasse como um terminal QKD de satélite. A carga útil QKD – consistindo de um sistema de rastreamento, transmissor QKD e um transmissor de comunicação a laser – pesava cerca de 60 kg, exigia 80 W de potência e media aproximadamente o tamanho de dois fornos de micro-ondas.

"Esta carga útil foi o mais integrada possível para reduzir volume, peso e custo, ao mesmo tempo em que alcançava o alto desempenho necessário para suportar experimentos QKD espaço-solo", disse Peng. “Também tinha que ser muito durável para suportar condições adversas, como a vibração severa experimentada durante o lançamento e o ambiente de vácuo térmico extremo do espaço”.

Os pesquisadores realizaram um total de 19 experimentos QKD durante os quais chaves seguras foram distribuídas com sucesso entre o terminal do Laboratório Espacial e quatro estações terrestres em 15 dias diferentes entre outubro de 2018 e fevereiro de 2019. Esses experimentos foram conduzidos à noite para evitar a influência do ruído de fundo da luz do dia .

Os pesquisadores descobriram que a órbita de inclinação média (~42°) do laboratório espacial permitiu várias passagens sobre uma única estação terrestre em uma noite, o que aumentou o número de chaves que poderiam ser geradas. Eles também construíram um modelo para comparar o desempenho de redes QKD baseadas em satélite com diferentes tipos de órbita. Eles descobriram que a combinação de satélites com uma órbita de inclinação média como o laboratório espacial com uma órbita síncrona com o sol que viaja pelas regiões polares obteve o melhor desempenho.

Próximas etapas

Os pesquisadores agora estão trabalhando para melhorar seu sistema QKD, aumentando a velocidade e o desempenho do sistema QKD, reduzindo custos e explorando a viabilidade da transmissão QKD diurna de satélite para terra. “Essas melhorias permitiriam que uma constelação quântica prática fosse criada lançando vários satélites de baixa órbita”, disse Peng. “A constelação pode ser combinada com um satélite quântico de órbita média a alta e redes QKD baseadas em fibra no solo para criar uma rede quântica integrada no espaço-solo”.

Embora não faça parte deste trabalho, um satélite quântico ainda menor desenvolvido pelo Laboratório Nacional de Hefei e pela Universidade de Ciência e Tecnologia da China e outros institutos de pesquisa na China foi lançado com sucesso no espaço em 27 de julho. Este satélite, conhecido como micro/nano satélite , pesa cerca de um sexto do peso do satélite Micius e contém um sistema QKD que é cerca de um terço do tamanho demonstrado na Optica papel. Esse satélite foi projetado para realizar experimentos QKD satélite-terra em tempo real, representando outro passo importante para constelações de satélites quânticos práticos e de baixo custo. + Explorar mais

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