基于时延卫星量子中继器的全球量子通信

逍遥设计自动化

引言
量子通信在全球范围内的实现面临着巨大挑战，传统方法难以克服这些限制。本文介绍一种创新方案，通过搭载量子存储器的单颗卫星实现全球量子网络[1]。
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理解挑战
+ l7 }3 ~7 M  b. g9 T传统的基于光纤的量子通信面临着一个基本限制：光子在传输过程中呈指数衰减。即使采用先进的双场量子密钥分发(QKD)技术，当前实验的传输距离也仅限于约1000公里。虽然量子中继器提供了一种解决方案，但需要每隔几公里就设置一个节点，形成复杂的基础设施。
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图1：展示了(a)方案的总体概述，(b)纠缠光子对生成和吸收式存储器的实验装置，(c)卫星经过地面站A并移向B时的存储过程，(d)卫星从A到达地面站B时的纠缠交换过程。

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时延解决方案
这个方案使用一颗携带两个不同特性量子存储器(QMs)的卫星。第一个存储器QM1具有超长存储时间，超过卫星轨道周期90分钟。第二个存储器QM2工作在毫秒量级，用作系统缓冲。
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" u0 }9 h' @; u6 V2 p系统通过精密的操作步骤工作：当卫星经过地面站A时，产生纠缠光子对，一个光子发送到地面，另一个存储在QM1中。当到达地面站B时，卫星产生新的纠缠对，一个光子发向地面站B，另一个存储在QM2中。随后，卫星对存储在QM1和QM2中的光子执行纠缠交换。

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图2：展示了(a)在不同存储器相位衰减条件下每对接收光子的安全密钥率，(b)系统可实现的总安全密钥长度。

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3 f: M3 w3 X4 X% g% ]' n/ H性能和优势
时延方案相比以往提案具有显著优势。该系统即使在高信道损耗下也能生成安全密钥，在30 dB平均信道损耗条件下可达到104比特的速率。与传统量子中继网络相比，该系统大幅减少了基础设施需求，同时保持全球覆盖能力。

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图3：展示了(a)单存储器和双存储器系统的有限密钥率比较，(b)总密钥长度比较，(c)在不同噪声条件下的系统性能。
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技术实现
3 }2 O$ {+ ^! F$ `实际实现采用稀土离子掺杂(REID)晶体作为量子存储器。这些材料展现出优异的特性，包括长达6小时的存储时间和存储数百个时间模式的能力。受保护的4f电子轨道确保量子态稳定，而大的非均匀展宽使量子态操控更加有效。

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% L  x- G+ P* B未来应用
该系统为全球量子网络创造了广泛应用机会。通过量子密钥分发实现洲际距离的安全通信，支持分布式量子处理器的连接，实现量子增强定位系统。此外，还为在更大尺度上测试量子力学提供了机会。
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图4：展示了不同接收望远镜口径的地球同步轨道卫星可实现的密钥率，证明了该低轨道系统的优势。

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结论
; n* }; m( U: C, B时延卫星量子中继器在全球量子通信领域取得重大进展。通过巧妙结合长寿命量子存储器和基于卫星的分发方式，为全球量子网络提供了实用方案，同时显著降低了所需基础设施。随着量子存储技术在存储时间和多模容量等方面的持续改进，这种方案有望成为未来全球量子通信系统的基础。

参考文献
[1] M. Gündo?an, J. S. Sidhu, M. Krutzik, and D. K. L. Oi, "Time-delayed single satellite quantum repeater node for global quantum communications," Optica Quantum, vol. 2, no. 3, pp. 140-147, June 2024.
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