Nội dung được dịch bởi AI, chỉ mang tính chất tham khảo
Đồng bộ thời gian trong phân phối khóa lượng tử vệ tinh
Tóm tắt
Đồng bộ thời gian là một trong những vấn đề quan trọng nhất cần được giải quyết trong việc phát triển các hệ thống phân phối khóa lượng tử (QKD). Nó không chỉ cho phép người phát và người nhận gán một số tuần tự cho mỗi sự kiện và sau đó thực hiện việc hòa giải cơ sở chính xác, mà còn cho phép tăng tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu. Đồng bộ thời gian trong truyền thông vệ tinh đặc biệt phức tạp do các yếu tố như tổn thất cao, suy giảm tín hiệu và hiệu ứng Doppler. Trong công trình này, một thuật toán đồng bộ thời gian đơn giản, hiệu quả và mạnh mẽ được đề xuất. Nó đã được thử nghiệm trong các thí nghiệm về QKD giữa Micius, vệ tinh truyền thông lượng tử đầu tiên trên thế giới, và một trạm mặt đất quang học nằm ở Nga. Độ chính xác đồng bộ thu được nằm trong khoảng từ 467 đến 497 ps. Các tác giả so sánh thuật toán của họ về đồng bộ thời gian với các phương pháp đã được sử dụng trước đó. Cách tiếp cận được đề xuất cũng có thể được áp dụng cho các hệ thống QKD trên mặt đất.
Từ khóa
#đồng bộ thời gian #phân phối khóa lượng tử #vệ tinh #giao tiếp lượng tử #tín hiệu #nhiễu #Micius #trạm mặt đấtTài liệu tham khảo
Bennett, C.H. and Brassard, G., Quantum Cryptography: Public Key Distribution and Coin Tossing, in Proc. Int. Conf. of Computers, Systems & Signal Processing, Bangalore, India, Dec. 9–12, 1984, vol. 1, pp. 175–179.
Bennett, C.H., Bessette, F., Brassard, G., Salvail, L., and Smolin, J., Experimental Quantum Cryptography, J. Cryptol., 1992, vol. 5, no. 1, pp. 3–28. https://doi.org/10.1007/BF00191318
Schmitt-Manderbach, T., Weier, H., Furst, M., Ursin, R., Tiefenbacher, F., Scheidl, T., Perdigues, J., Sodnik, Z., Kurtsiefer, C., Rarity, J.G., Zeilinger, A., and Weinfurter, H., Experimental Demonstration of Free-Space Decoy-State Quantum Key Distribution over 144 km, Phys. Rev. Lett., 2007, vol. 98, no. 1, p. 010504 (4 pp.). https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.98.010504
Liu, Y., Zhang, W.-J., Jiang, C., Chen, J.-P., Zhang, C., Pan, W.-X., Ma, D., Dong, H., Xiong, J.-M., Zhang, C.-J., Li, H., Wang, R.-C., Wu, J., Chen, T.-Y., You, L., Wang, X.-B., Zhang, Q., and Pan, J.-W., Experimental Twin-Field Quantum Key Distribution over 1000 km Fiber Distance, Phys. Rev. Lett., 2023, vol. 130, no. 21, p. 210801 (6 pp.). https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.130.210801
Liao, S.-K., Cai, W.-Q., Liu, W.-Y., Zhang, L., Li, Y., Ren, J.-G., Yin, J., Shen, Q., Cao, Y., Li, Z.-P., Li, F.-Z., Chen, X.-W., Sun, L.-H., Jia, J.-J., Wu, J.-C., Jiang, X.-J., Wang, J.-F., Huang, Y.-M., Wang, Q., Zhou, Y.-L., Deng, L., Xi, T., Ma, L., Hu, T., Zhang, Q., Chen, Y.-A., Liu, N.-L., Wang, X.-B., Zhu, Z.-C., Lu, C.-Y., Shu, R., Peng, C.-Z., Wang, J.-Y., and Pan, J.-W., Satellite-to-Ground Quantum Key Distribution, Nature, 2017, vol. 549, no. 7670, pp. 43–47. https://doi.org/10.1038/nature23655
Liao, S.-K., Cai, W.-Q., Handsteiner, J., Liu, B, Yin, J., Zhang, L., Rauch, D., Fink, M., Ren, J.-G., Liu, W.-Y., Li, Y., Shen, Q., Cao, Y., Li, F.-Z., Wang, J.-F., Huang, Y.-M., Deng, L., Xi, T., Ma, L., Hu, T., Li, L., Liu, N.-L., Koidl, F., Wang, P., Chen, Y.-A., Wang, X.-B., Steindorfer, M., Kirchner, G., Lu, C.-Y., Shu, R., Ursin, R., Scheidl, T., Peng, C.-Z., Wang, J.-Y., Zeilinger, A., and Pan, J.-W., Satellite-Relayed Intercontinental Quantum Network, Phys. Rev. Lett., 2018, vol. 120, no. 3, p. 030501 (4 pp.). https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.120.030501
Chen, Y.-A., Zhang, Q., Chen, T.-Y., Cai, W.-Q., Liao, S.-K., Zhang, J., Chen, K., Yin, J., Ren, J.-G., Chen, Z., Han, S.-L., Yu, Q., Liang, K., Zhou, F., Yuan, X., Zhao, M.-S., Wang, T.-Y., Jiang, X., Zhang, L., Liu, W.-Y., Li, Y., Shen, Q., Cao, Y., Lu, C.-Y., Shu, R., Wang, J.-Y., Li, L., Liu, N.-L., Xu, F., Wang, X.-B., Peng, C.-Z., and Pan, J.-W., An Integrated Space-to-Ground Quantum Communication Network over 4,600 Kilometres, Nature, 2021, vol. 589, no. 7841, pp. 214–219. https://doi.org/10.1038/s41586-020-03093-8
Yin, J., Cao, Y., Li, Y.-H., Liao, S.-K., Zhang, L., Ren, J.-G., Cai, W.-Q., Liu, W.-Y., Li, B., Dai, H., Li, G.-B., Lu, Q.-M., Gong, Y.-H., Xu, Y., Li, S.-L., Li, F.-Z., Yin, Y.-Y., Jiang, Z.-Q., Li, M., Jia, J.-J., Ren, G., He, D., Zhou, Y.-L., Zhang, X.-X., Wang, N., Chang, X., Zhu, Z.-C., Liu, N.-L., Chen, Y.-A., Lu, C.-Y., Shu, R., Peng, C.-Z., Wang, J.-Y., and Pan, J.-W., Satellite-Based Entanglement Distribution over 1200 Kilometers, Science, 2017, vol. 356, no. 6343, pp. 1140–1144. https://doi.org/10.1126/science.aan3211
Yin, J., Li, Y.-H., Liao, S.-K., Yang, M., Cao, Y., Zhang, L., Ren, J.-G., Cai, W.-Q., Liu, W.-Y., Li, S.-L., Shu, R., Huang, Y.-M., Deng, L., Li, L., Zhang, Q., Liu, N.-L., Chen, Y.-A., Lu, C.-Y., Wang, X.-B., Xu, F., Wang, J.-Y., Peng, C.-Z., Ekert, A.K., and Pan, J.-W., Entanglement-Based Secure Quantum Cryptography over 1,120 Kilometres, Nature, 2020, vol. 582, no. 7813, pp. 501–505. https://doi.org/10.1038/s41586-020-2401-y
Ren, J.-G., Xu, P., Yong, H.-L., Zhang, L., Liao, S.-K., Yin, J., Liu, W.-Y., Cai, W.-Q., Yang, M., Li, L., Yang, K.-X., Han, X., Yao, Y.-Q., Li, J., Wu, H.-Y., Wan, S., Liu, L., Liu, D.-Q., Kuang, Y.-W., He, Z.-P., Shang, P., Guo, C., Zheng, R.-H., Tian, K., Zhu, Z.-C., Liu, N.-L., Lu, C.-Y., Shu, R., Chen, Y.-A., Peng, C.-Z., Wang, J.-Y., and Pan, J.-W., Ground-to-Satellite Quantum Teleportation, Nature, 2017, vol. 549, no. 7670, pp. 70–73. https://doi.org/10.1038/nature23675
Beveratos, A., Brouri, R., Gacoin, T., Villing, A., Poizat, J.-P., and Grangier, P., Single Photon Quantum Cryptography, Phys. Rev. Lett., 2002, vol. 89, no. 18, p. 187901 (4 pp.). https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.89.187901
Stucki, D., Gisin, N., Guinnard, O., Ribordy, G., and Zbinden, H., Quantum Key Distribution over 67 km with a Plug&Play System, New J. Phys., 2002, vol. 4, p. 41 (8 pp.). https://doi.org/10.1088/1367-2630/4/1/341
Sasaki, M., Fujiwara, M., Ishizuka, H., Klaus, W., Wakui, K., Takeoka, M., Miki, S., Yamashita, T., Wang, Z., Tanaka, A., Yoshino, K., Nambu, Y., Takahashi, S., Tajima, A., Tomita, A., Domeki, T., Hasegawa, T., Sakai, Y., Kobayashi, H., Asai, T., Shimizu, K., Tokura, T., Tsurumaru, T., Matsui, M., Honjo, T., Tamaki, K., Takesue, H., Tokura, Y., Dynes, J.F., Dixon, A.R., Sharpe, A.W., Yuan, Z.L., Shields, A.J., Uchikoga, S., Legre, M., Robyr, S., Trinkler, P., Monat, L., Page, J.-B., Ribordy, G., Poppe, A., Allacher, A., Maurhart, O., Langer, T., Peev, M., and Zeilinger, A., Field Test of Quantum Key Distribution in the Tokyo QKD Network, Opt. Express, 2011, vol. 19, no. 11, pp. 10387–10409. https://doi.org/10.1364/OE.19.010387
Wang, S., Chen, W., Yin, Z.-Q., Li, H.-W., He, D.-Y., Li, Y.-H., Zhou, Z., Song, X.-T., Li, F.-Y., Wang, D., Chen, H., Han, Y.-G., Huang, J.-Z., Guo, J.-F., Hao, P.-L., Li, M., Zhang, C.-M., Liu, D., Liang, W.-Y., Miao, C.-H., Wu, P., Guo, G.-C., and Han, Z.-F., Field and Long-Term Demonstration of a Wide Area Quantum Key Distribution Network, Opt. Express, 2014, vol. 22, no. 18, pp. 21739–21756. https://doi.org/10.1364/OE.22.021739
Wang, C., Li, Y., Cai, W., Yang, M., Liu, W., Liao, S., and Peng, C., Robust Aperiodic Synchronous Scheme for Satellite-to-Ground Quantum Key Distribution, Appl. Opt., 2021, vol. 60, no. 16, pp. 4787–4792. https://doi.org/10.1364/AO.425085
Shakhovoy, R., Puplauskis, M., Sharoglazova, V., Maksimova, E., Hydyrova, S., Kurochkin, V., and Duplinskiy, A., Wavelength- and Time-Division Multiplexing via Pump Current Variation of a Pulsed Semiconductor Laser—A Method of Synchronization for Quantum Key Distribution, IEEE J. Quantum Electron., 2023, vol. 59, no. 1, Article No. 8000110 (10 pp.). https://doi.org/10.1109/JQE.2023.3237265
Calderaro, L., Stanco, A., Agnesi, C., Avesani, M., Dequal, D., Villoresi, P., and Vallone, G., Fast and Simple Qubit-Based Synchronization for Quantum Key Distribution, Phys. Rev. Appl., 2020, vol. 13, no. 5, p. 054041 (9 pp.). https://doi.org/10.1103/PhysRevApplied.13.054041
Wang, C.-Z., Li, Y., Cai, W.-Q., Liu, W.-Y., Liao, S.-K., and Peng, C.-Z., Synchronization Using Quantum Photons for Satellite-to-Ground Quantum Key Distribution, Opt. Express, 2021, vol. 29, no. 19, pp. 29595–29603. https://doi.org/10.1364/OE.433631
Takenaka, H., Carrasco-Casado, A., Fujiwara, M., Kitamura, M., Sasaki, M., and Toyoshima, M., Satellite-to-Ground Quantum-Limited Communication Using a 50-kg-Class Microsatellite, Nat. Photon., 2017, vol. 11, pp. 502–508. https://doi.org/10.1038/nphoton.2017.107
Lu, C.-Y., Cao, Y., Peng, C.-Z., and Pan, J.-W., Micius Quantum Experiments in Space, Rev. Mod. Phys., 2022, vol. 94, no. 3, p. 035001 (46 pp.). https://doi.org/10.1103/RevModPhys.94.035001
Khmelev, A.V., Duplinskiy, A.V., Maiboroda, V.F., Bakhshaliev, R.M., Balanov, M.Yu., Kurochkin, V.L., and Kurochkin, Yu.V., Recording of a Single-Photon Signal from Low-Flying Satellites for Satellite Quantum Key Distribution, Pisma v ZhTF, 2021, vol. 17, pp. 46–49 [Tech. Phys. Lett. (Engl. Transl.), 2021, vol. 47, no. 12, pp. 858–861]. https://doi.org/10.1134/S1063785021090078
Khmelev, A.V., Duplinsky, A.V., Kurochkin, V.L., and Kurochkin, Y.V., Stellar Calibration of the Single-Photon Receiver for Satellite-to-Ground Quantum Key Distribution, J. Phys.: Conf. Ser., 2021, vol. 2086, no. 1, p. 012137 (5 pp.). https://doi.org/10.1088/1742-6596/2086/1/012137
Khmelev, A.V., Ivchenko, E.I., Miller, A.V., Duplinsky, A.V., Kurochkin, V.L., and Kurochkin, Yu.V., Semi-Empirical Satellite-to-Ground Quantum Key Distribution Model for Realistic Receivers, Entropy, 2023, vol. 25, no. 4, p. 670 (14 pp.), https://doi.org/10.3390/e25040670
Miller, A.V., Pismeniuk, L.V., Duplinsky, A.V., Merzlinkin V.E., Plukchi A.A., Tikhonova K.A., Nesterov I.S., Sevryukov D.O., Levashov S.D., Fetisov V.V., Krasnopejev S.V., and Bakhshaliev R.M., Vector—Towards Quantum Key Distribution with Small Satellites, EPJ Quantum Technol., 2023, vol. 10, Article No. 52 (20 pp.). https://doi.org/10.1140/epjqt/s40507-023-00208-8
Wu, Q.-L., Han, Z.-F., Miao, E.-L., Liu, Y., Dai, Y.-M., and Guo, G.-C., Synchronization of Free-Space Quantum Key Distribution, Opt. Commun., 2007, vol. 275, no. 2, pp. 486–490. https://doi.org/10.1016/j.optcom.2007.03.068