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精密计时设施之间的量子安全时间传输：模拟卫星链路的现场试验
摘要 全球导航卫星系统 (GNSS)，例如 GPS 和伽利略，在全球范围内提供精确的时间和空间坐标，是现代社会关键基础设施的一部分。为了可靠地运行 GNSS，需要高度精确和稳定的系统时间，例如由全球精密计时设施 (PTF) 中托管的多个独立时钟提供的时间。定期测量 PTF 之间的相对时钟偏移，以便有一个后备系统来同步 GNSS 卫星时钟。PTF 之间通信的安全性和完整性至关重要：如果受到损害，可能会导致 GNSS 服务中断。因此，确保 PTF 之间的通信安全是通过量子密钥分发 (QKD) 保护的一个引人注目的用例，因为这项技术提供了信息论安全性。我们已经通过在两个 PTF 之间共享加密的时间同步信息对这种用例进行了现场试验演示，一个位于 Oberpfaffenhofen（德国），另一个位于马泰拉（意大利）——相距超过 900 公里。为了跨越这么远的距离，需要卫星 QKD 系统，以及“最后一英里”地面链路，以将光学地面站 (OGS) 连接到 PTF 的实际位置。在我们的演示中，我们部署了两个完整的 QKD 系统来保护两个位置的最后一英里连接，并通过模拟表明，即将发射的 QKD 卫星将能够利用现有的 OGS 在 Oberpfaffenhofen 和 Matera 之间分发密钥。
利用卫星链路进行量子密钥分发和纠缠分发
在全球范围内有效分布量子态是实施量子通信协议的关键挑战。虽然通过光纤直接传输可以实现数百公里的量子密钥分发 [ 1 ]，但由于光子在光纤中的传输呈指数衰减，实现真正的全球距离仍然不可能。为了解决这个问题，人们提出了卫星链路，并已证明可以在相距 1100 多公里的双方之间分发纠缠的光子对 [ 2 , 3 ]。然而，由于双光子传输为 56 到 71 dB，地面站的双光子计数率受到限制。为了解决这个问题，我们研究了在卫星中加入量子存储器，这将使速率取决于单光子传输，从而有可能将速率提高三个数量级。对于量子密钥分发，我们发现，采用最先进的量子存储器可以达到与当前卫星相同的速率 [ 2 , 3 ]。我们建议采用一种上行链路协议，要求卫星中有两个记忆量子比特，相干时间为 0.2 秒，以达到 1.1 Hz 的双光子计数率。对于纠缠分布，我们发现卫星中没有记忆的设置可以产生最高的纠缠记忆速率，与卫星中有量子记忆的方案相比，地面上所需的记忆量子比特要少两个数量级，才能达到相同的速率。