A NICT desenvolveu o menor e mais leve transmissor de comunicação quântica (SOTA) do mundo a bordo do microssatélite SOCRATES. Conseguimos a demonstração do primeiro experimento de comunicação quântica do espaço, receber informações do satélite em regime de fóton único em uma estação ótica terrestre na cidade de Koganei. SOTA pesa 6 kg e seu tamanho é de 17,8 cm de comprimento, 11,4 cm de largura e 26,8 cm de altura. Ele transmite um sinal de laser para o solo a uma taxa de 10 milhões de bits por segundo de uma altitude de 600 km a uma velocidade de 7 km / s. Conseguimos detectar corretamente o sinal de comunicação de SOTA movendo-se nesta velocidade rápida. Este é um passo importante para a construção de uma rede global de comunicação por satélite de longa distância e verdadeiramente segura.

Como resultado desta pesquisa, O NICT demonstrou que a comunicação quântica por satélite pode ser implementada com pequenos satélites de baixo custo, o que torna possível usar esta tecnologia chave. É uma conquista que abre uma nova página no desenvolvimento de futuras redes de comunicação globais e um grande impulso para a indústria espacial.

Os resultados desta pesquisa foram aceitos para publicação em Nature Photonics .

As tecnologias necessárias para lançar pequenos satélites a baixo custo progrediram imensamente durante este século, e esforços significativos estão sendo feitos para desenvolver constelações de satélites para alcançar uma rede de comunicação global que cubra toda a Terra. Contudo, há necessidade de uma tecnologia que possa transmitir grandes quantidades de informações do espaço para o solo em curtos períodos de tempo, e as bandas RF atuais já estão congestionadas, criando um gargalo na capacidade de comunicação.

Usando lasers, A comunicação óptica por satélite tem uma banda de frequência prontamente disponível e pode transmitir com maior eficiência energética e terminais menores e mais leves. Assim, espera-se que seja uma tecnologia-chave para apoiar as futuras redes de comunicação por satélite. Comunicação quântica, e mais especificamente, A distribuição quântica de chaves (QKD) é outra tecnologia chave para garantir a segurança da informação das próximas redes de comunicação globais. Os links atuais do QKD são limitados a várias centenas de km, assim, a implementação do QKD satélite-solo é uma etapa fundamental neste esforço. A pesquisa de QKD é ativamente conduzida no Japão, China, Europa, Canadá e Estados Unidos (ver informações complementares sobre tendências recentes de pesquisa e desenvolvimento). Em agosto de 2016, a Universidade de Ciência e Tecnologia da China lançou um grande satélite de comunicação quântica (635 kg) e realizou um experimento de emaranhamento quântico com duas estações terrestres.

SOTA é o menor e mais leve transmissor de comunicação quântica do mundo (peso de 6 kg, 17,8 cm de comprimento, 11,4 cm de largura, e 26,8 cm de altura) embarcado no microssatélite SOCRATES (ver Fig. 1). SOTA transmitiu dois estados de polarização, codificação de zeros e uns (ver Fig. 2a, b) para o solo a uma taxa de 10 milhões de bits por segundo. Os sinais de SOTA foram recebidos na estação terrestre óptica NICT na cidade de Koganei em Tóquio usando um telescópio de 1 m (ver Fig. 2c) para coletar os fótons transmitidos e guiá-los para o receptor quântico (ver Fig. 2d), que decodificou as informações usando um protocolo QKD.

O sinal que chega ao telescópio de 1 m é extremamente fraco, com uma média de 0,1 fótons por pulso recebido. A NICT desenvolveu a tecnologia para realizar a sincronização de tempo e o quadro de referência de polarização entre o satélite e a estação terrestre diretamente dos sinais QKD, bem como um receptor quântico capaz de detectar um sinal tão fraco com baixo ruído. Demonstramos a primeira comunicação quântica do mundo a partir de um microssatélite de 50 kg. Isso permitirá o desenvolvimento de links futuros seguros do espaço por meio da criptografia quântica para evitar completamente o vazamento de informações.

A tecnologia desenvolvida neste projeto demonstrou que a comunicação quântica por satélite pode ser implementada usando microssatélites leves de baixo custo. Portanto, espera-se que muitos institutos de pesquisa e empresas interessadas nesta tecnologia acelerem a aplicação prática da comunicação quântica do espaço. Além disso, uma vez que foi comprovado que a comunicação à distância é possível com energia elétrica muito baixa, isso abrirá um caminho para acelerar a comunicação óptica do espaço profundo com a espaçonave de exploração.

No futuro, planejamos aumentar ainda mais a velocidade de transmissão e melhorar a precisão da tecnologia de rastreamento para maximizar a entrega de chave segura do espaço ao solo usando criptografia quântica permitindo uma rede de comunicação global verdadeiramente segura, cuja confidencialidade está atualmente ameaçada pelo próximo desenvolvimento de computadores quânticos.

As tecnologias necessárias para lançar pequenos satélites a baixo custo avançaram imensamente nos últimos anos, e lançando um grande número de satélites em órbita baixa da Terra, as redes globais de comunicação que cobrem toda a Terra na forma de constelações de satélites estão se tornando uma realidade. Essas constelações terão que lidar com uma grande quantidade de dados a serem transferidos para a Terra em curtos períodos de tempo (já que a passagem típica de um satélite LEO é de vários minutos). Adicionalmente, a tecnologia RF está se tornando obsoleta e o espectro de rádio congestionado. A comunicação óptica por satélite tem um espectro prontamente disponível e o potencial de aumentar a quantidade de dados transmitidos enquanto reduz a potência, massa e peso dos terminais.

A comunicação do laser espacial foi demonstrada em muitas missões, principalmente no Japão, Europa e os EUA Em maio de 2014, A NICT desenvolveu um pequeno terminal de comunicação a laser (SOTA) e o lançou a bordo do microssatélite SOCRATES em uma órbita sincronizada com o sol de 600 km. O NICT realizou com sucesso uma variedade de experimentos de comunicação a laser, e desde 2016, uma nova campanha de experimentos de comunicação quântica foi realizada.

A comunicação quântica é uma tecnologia essencial para realizar a criptografia quântica, que pode proteger completamente a troca de chaves criptográficas de qualquer vazamento de informações. Os satélites podem aumentar significativamente o alcance dos links QKD, uma vez que as perdas são menores do que ao usar fibras ópticas, que normalmente é limitado a cerca de 200 km, permitindo trocas de chaves secretas intercontinentais.

Em agosto de 2016, a Universidade de Ciência e Tecnologia da China lançou um grande satélite de comunicação quântica (635 kg) e realizou um experimento de emaranhamento quântico com duas estações terrestres (J. Yin et al., Ciência, 356 (6343), Junho de 2017). A equipe chinesa também está conduzindo experimentos em criptografia quântica em escala intercontinental usando este satélite (E. Gibney, Natureza , 535, 2016).

A comunicação de laser por satélite e a comunicação quântica são tecnologias emergentes com grande potencial nas futuras redes de comunicação em escala global, e estão atraindo muita atenção de muitas instituições de pesquisa importantes em todo o mundo.

A maioria dos fótons SOTA transmitidos é perdida antes de chegar ao receptor devido à divergência do feixe de laser e à abertura limitada do telescópio para coletar os fótons. Adicionalmente, muitos fótons são espalhados e absorvidos pela atmosfera. Como resultado, o sinal que chega ao OGS é extremamente fraco, carregando uma média de menos de 0,1 fótons por pulso. Uma vez que esses sinais fracos não podem ser detectados por meio de fotodetectores convencionais, o receptor quântico usou detectores extremamente sensíveis, conhecidos como contadores de fótons, que podem detectar fótons individuais. Isso permite uma comunicação mais eficiente do que a comunicação óptica de satélite convencional. Também, usando sinais com menos de um fóton por pulso, a criptografia quântica pode detectar a presença de um intruso, o que possibilita a entrega de chaves secretas de forma confidencial.

Para realizar comunicação quântica e criptografia quântica com um sinal tão fraco, um passo fundamental é marcar a hora com precisão dos sinais para que sejam claramente reconhecidos no receptor quântico. Portanto, é necessário sincronizar com precisão os sinais entre SOCRATES e o OGS para detectar os bits transmitidos sem erros. Também é necessário realizar uma correspondência de eixo de polarização, porque os referenciais mudam devido ao movimento relativo entre o satélite e a estação terrestre. Apenas o Japão e a China foram capazes de demonstrar essas tecnologias no espaço, mas a China fez isso usando um satélite da classe de 600 kg, enquanto o Japão fez isso usando um satélite da classe de 50 kg.

Uma vez que o satélite se move em alta velocidade em relação ao OGS (cerca de 7 km / s), o comprimento de onda do sinal de laser Doppler mudou para um comprimento de onda mais curto ao se aproximar do OGS, e para um comprimento de onda mais longo ao se afastar do OGS. Por causa do efeito Doppler, é necessário realizar uma sincronização de tempo precisa para detectar corretamente as longas sequências de bits sem erros. No experimento de comunicação quântica da China, esta sincronização foi realizada usando um laser dedicado que transmite um sinal de sincronização. Por contraste, O NICT foi capaz de realizar essa sincronização usando o próprio sinal quântico. Uma sequência de sincronização especial de cerca de 32, 000 bits foram usados ​​no sinal de comunicação quântica para esta finalidade, e o receptor quântico foi capaz de realizar não apenas a comunicação quântica, mas também a sincronização e o eixo de polarização combinando diretamente, usando apenas o sinal quântico fraco. Neste experimento, A NICT conseguiu demonstrar pela primeira vez que a tecnologia de comunicação quântica pode ser implementada em pequenos satélites.

A Fig. 4 mostra a órbita de SÓCRATES, bem como o cálculo do deslocamento Doppler e medição do experimento realizado em 5 de agosto, 2016. Conforme mostrado na Fig. 4a, SOCRATES sobrevoou o Oceano Pacífico de sul a norte e alcançou a distância mais próxima de 744 km da estação ótica terrestre NICT às 22:59:41, horário do Japão. Um link de comunicação foi estabelecido por dois minutos e 15 segundos nessa hora. A Fig. 4b mostra o valor teórico do deslocamento Doppler previsto a partir das informações da órbita de SOCRATES, e a Fig. 4c mostra o valor experimental. O valor observado do desvio Doppler mostrou uma boa concordância com a teoria, e a mudança de frequência devido ao desvio Doppler pode ser corrigida com precisão. Com base nesta correção de frequência, a sincronização de tempo entre o satélite e a estação terrestre foi estabelecida enquanto corrigia com precisão a mudança do intervalo de tempo dos fótons vindos de SÓCRATES a cada segundo.

Depois de estabelecer a sincronização de tempo, o sinal do fóton é transformado em zeros e uns digitais. Contudo, devido à mudança de posição do bit, ainda é necessário combinar a sequência de bits transmitida de SOTA com a sequência de bits recebida no OGS. Conforme mostrado na Fig. 5, analisando a correlação cruzada da sequência de sincronização de cerca de 32, 000 bits, esta partida pode ser realizada com sucesso. A Fig. 5b mostra o pico de correlação no 29, Posição do 656º bit, o que significa que isso é considerado a origem no OGS, para que a sequência possa ser decodificada corretamente.

A Fig. 6 mostra um exemplo de histograma da série de fótons detectados pelo receptor quântico. Os sinais Tx2 e Tx3 mostram os fótons transmitidos por SOTA e o histograma mostra como os fótons detectados estão relacionados ao sinal original. Isso demonstra que a sincronização pode ser estabelecida com precisão usando diretamente o sinal quântico, mesmo na presença de perdas significativas.

Uma vez que SOCRATES está se movendo em relação à estação terrestre, o quadro de referência de polarização entre SOTA e OGS muda constantemente. Para que um link de comunicação quântica seja estabelecido corretamente, o referencial de polarização deve ser o mesmo. Se esta mudança relativa não for corrigida, os estados de polarização correspondentes a zeros e uns não podem ser identificados com precisão. A Fig. 7 mostra o ângulo de polarização previsto dos fótons transmitidos de SOTA para zeros e uns, bem como os ângulos medidos, chegar a um bom acordo entre ambos. A previsão teórica foi calculada usando a informação orbital de SOCRATES, bem como sua mudança de atitude durante a passagem sobre o Japão. Ao combinar o quadro de referência, uma taxa de erro de bit quântico tão baixa quanto 3,7 por cento pode ser medida. Isso demonstra que a comunicação quântica é viável a partir do espaço, uma vez que está abaixo de 10 por cento, freqüentemente usado como uma condição para a criptografia quântica ser segura. Isso representa a primeira demonstração usando um microssatélite da classe de 50 kg.