เทคโนโลยีทางอวกาศเกี่ยวกับดาวเทียม

การสาธิตนี้แสดงถึงขั้นตอนสำคัญสู่ QKD ที่ใช้งานได้จริงตามกลุ่มดาวบริวารขนาดเล็ก การติดตั้งนี้ถือเป็นหนึ่งในเส้นทางที่มีแนวโน้มดีที่สุดในการสร้างเครือข่ายการสื่อสารควอนตัมทั่วโลก "QKD เสนอการรักษาความปลอดภัยแบบไม่มีเงื่อนไขโดยใช้โฟตอนเดี่ยวเพื่อเข้ารหัสข้อมูลระหว่างสองเทอร์มินัลที่อยู่ห่างไกล" Cheng-Zhi Peng สมาชิกทีมวิจัยจากมหาวิทยาลัยวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีแห่งประเทศจีนกล่าว "ระบบขนาดกะทัดรัดที่เราพัฒนาขึ้นสามารถลดค่าใช้จ่ายในการติดตั้ง QKD ได้โดยทำให้สามารถใช้ดาวเทียมขนาดเล็กได้" Peng และนักวิจัยจากสถาบันอื่น ๆ ในประเทศจีนอธิบายถึงระบบใหม่และผลการทดลองของพวกเขาใน วารสาร Opticaซึ่งเป็นวารสารของ Optica Publishing Group สำหรับการวิจัยที่มีผลกระทบสูง พวกเขายังพบว่าสามารถเพิ่มประสิทธิภาพ QKD ได้โดยการสร้างเครือข่ายดาวเทียมที่โคจรในมุมต่างๆ หรือความเอียงที่สัมพันธ์กับเส้นศูนย์สูตร "ผลงานใหม่ของเราแสดงให้เห็นถึงความเป็นไปได้ของเครือข่าย QKD บนภาคพื้นดินบนอวกาศ โดยอิงจากน้ำหนักบรรทุกดาวเทียมขนาดกะทัดรัดรวมกับกลุ่มดาวดาวเทียมที่มีวงโคจรประเภทต่างๆ" เผิงกล่าว "ในอนาคตอันใกล้นี้ ระบบ QKD ประเภทนี้สามารถใช้กับงานที่ต้องการความปลอดภัยสูง เช่น งานราชการ การทูต และการเงิน" ลดขนาดระบบ QKD QKD ใช้คุณสมบัติควอนตัมของแสงเพื่อสร้างคีย์สุ่มที่ปลอดภัยสำหรับการเข้ารหัสและถอดรหัสข้อมูล ในงานก่อนหน้านี้ กลุ่มวิจัยได้สาธิต QKD จากดาวเทียมสู่พื้นและเครือข่ายควอนตัมข้ามทวีปที่ถ่ายทอดผ่านดาวเทียมโดยใช้ดาวเทียม Micius อย่างไรก็ตาม ระบบ QKD ที่ใช้บนดาวเทียมนั้นมีขนาดใหญ่และมีราคาแพง ขนาดของตู้เย็นขนาดใหญ่ ระบบมีน้ำหนักประมาณ 130 กก. และต้องการกำลังไฟ 130 วัตต์ ในฐานะที่เป็นส่วนหนึ่งของแผนกลุ่มดาวควอนตัมของจีน นักวิจัยพยายามที่จะพัฒนาและสาธิตเครือข่าย QKD บนอวกาศที่ใช้งานได้จริงมากขึ้น ในการทำเช่นนี้ พวกเขาได้พัฒนาน้ำหนักบรรทุกที่มีขนาดกะทัดรัดซึ่งทำให้ Tiangong-2 Space Lab สามารถทำหน้าที่เป็นเทอร์มินัล QKD ของ ดาวเทียม ได้ น้ำหนักบรรทุกของ QKD ซึ่งประกอบด้วยระบบติดตาม เครื่องส่งสัญญาณ QKD และเครื่องส่งสัญญาณสื่อสารด้วยเลเซอร์ มีน้ำหนักประมาณ 60 กก. ต้องใช้กำลังไฟ 80 วัตต์ และมีขนาดเท่ากับเตาไมโครเวฟ 2 เตา "น้ำหนักบรรทุกนี้ได้รับการผสานรวมมากที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้เพื่อลดปริมาณ น้ำหนัก และต้นทุน ในขณะที่บรรลุประสิทธิภาพที่สูงซึ่งจำเป็นต่อการสนับสนุนการทดลอง QKD จากอวกาศสู่ภาคพื้นดิน" Peng กล่าว "นอกจากนี้ยังต้องทนทานมากเพื่อทนต่อสภาวะที่สมบุกสมบัน เช่น การสั่นสะเทือนอย่างรุนแรงที่เกิดขึ้นระหว่างการปล่อยจรวด และสภาพแวดล้อมสุญญากาศทางความร้อนสูงในอวกาศ" นักวิจัยทำการทดลอง QKD ทั้งหมด 19 ครั้ง ระหว่างเดือนตุลาคม 2018 ถึงกุมภาพันธ์ 2019 ประสบความสำเร็จในการแจกจ่ายคีย์ความปลอดภัยระหว่างเทอร์มินัล Space Lab และสี่สถานีภาคพื้นดินใน 15 วันที่แตกต่างกัน ระหว่างเดือนตุลาคม 2018 ถึงกุมภาพันธ์ 2019 การทดลองเหล่านี้ดำเนินการในเวลากลางคืนเพื่อหลีกเลี่ยงอิทธิพลของเสียงรบกวนในตอนกลางวัน . นักวิจัยพบว่าวงโคจรเอียงปานกลาง (~42°) ของห้องปฏิบัติการอวกาศอนุญาตให้ผ่านสถานีภาคพื้นดินแห่งเดียวได้หลายครั้งในคืนเดียว ซึ่งเพิ่มจำนวนกุญแจที่สามารถสร้างได้ พวกเขายังสร้างแบบจำลองเพื่อเปรียบเทียบประสิทธิภาพของเครือข่าย QKD ที่ใช้ดาวเทียมกับวงโคจรประเภทต่างๆ พวกเขาพบว่าการรวมดาวเทียมที่มีวงโคจรเอียงปานกลางอย่างห้องทดลองอวกาศเข้ากับวงโคจรแบบซิงโครนัสของดวงอาทิตย์ที่โคจรผ่านบริเวณขั้วโลกทำให้ได้ประสิทธิภาพที่ดีที่สุด ขั้นตอนถัดไป ขณะนี้นักวิจัยกำลังทำงานเพื่อปรับปรุงระบบ QKD โดยเพิ่มความเร็วและประสิทธิภาพของระบบ QKD ลดต้นทุน และสำรวจความเป็นไปได้ของการส่งสัญญาณ QKD จากดาวเทียมสู่ภาคพื้นดินในเวลากลางวัน "การปรับปรุงเหล่านี้จะช่วยให้สามารถสร้างกลุ่มดาวควอนตัมที่ใช้งานได้จริงโดยการปล่อยดาวเทียมวงโคจรต่ำหลายดวง" Peng กล่าว "กลุ่มดาวสามารถรวมกับดาวเทียมควอนตัมวงโคจรขนาดกลางถึงสูงและเครือข่าย QKD ที่ใช้ไฟเบอร์บนภาคพื้นดินเพื่อสร้างเครือข่ายควอนตัมแบบรวมพื้นที่และภาคพื้นดิน" แม้ว่าจะไม่ได้เป็นส่วนหนึ่งของงานนี้ แต่ดาวเทียมควอนตัมขนาดเล็กกว่าที่พัฒนาโดยห้องปฏิบัติการแห่งชาติเหอเฟยและมหาวิทยาลัยวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีของจีนและสถาบันวิจัยอื่น ๆ ในประเทศจีนเปิดตัวสู่อวกาศได้สำเร็จเมื่อวันที่ 27 กรกฎาคม ดาวเทียมดวงนี้รู้จักกันในชื่อดาวเทียมไมโคร/นาโน มีน้ำหนักประมาณหนึ่งในหกของน้ำหนักดาวเทียม Micius และมีระบบ QKD ซึ่งมีขนาดประมาณหนึ่งในสามของขนาดที่แสดงในกระดาษOptica ดาวเทียมดังกล่าวได้รับการออกแบบมาเพื่อทำการทดลอง QKD จากดาวเทียมสู่พื้นตามเวลาจริง ซึ่งเป็นอีกก้าวสำคัญไปสู่กลุ่มดาวดาวเทียมควอนตัมที่มีต้นทุนต่ำและใช้งานได้จริง