Mikro Uydu Tabanlı Gerçek Zamanlı Kuantum Anahtar Dağıtımı Teknolojisi ve Saha Uygulamaları

Küresel kuantum ağlarının ve kuantum internet altyapısının kurulması, uzay bazlı kuantum anahtar dağıtımı sistemlerinin ölçeklenebilir ve alçak maliyetli teknolojilerle entegrasyonuna bağlıdır. Micius uydusu ile elde edilen ilk tarihi başarılar, kuantum haberleşmesinin uydular aracılığıyla binlerce kilometreye yayılabileceğini kanıtlamış olsa da, bu sistemlerin yüzlerce kilogramlık ağır faydalı yükleri ve tonlarca ağırlıktaki devasa optik yer istasyonları küresel takımyıldız ağlarının kurulmasını zorlaştırmaktadır. Geleneksel mikrodalga bağlantılar üzerinden yürütülen klasik anahtar arıtım süreçleri ciddi zaman gecikmelerine yol açmakta, bu durum gerçek zamanlı güvenli haberleşme ihtiyacını karşılamakta yetersiz kalmaktadır. Bu teknolojik engelleri aşmak amacıyla geliştirilen mikro uydu çözümleri, kuantum güvenliğinin sivil ve askeri altyapılarda yaygın kullanımı için stratejik bir araştırma alanı oluşturmaktadır.

Sunulan çalışmada, 500 km Güneş eşzamanlı yörüngeye fırlatılan Jinan-1 mikro uydusu ve 100 kg ağırlığındaki taşınabilir optik yer istasyonları kullanılarak deneysel bir uydu-yer kuantum anahtar dağıtım mimarisi tasarlanmıştır. Araştırmacılar, tek bir lazer diyot üzerinden modülasyon sağlayan Sagnac interferometre yapılı 625 MHz decoy-state BB84 kuantum ışık kaynağı geliştirmişlerdir. Uydunun yönelim kontrolü ile birleştirilmiş iki aşamalı edinim, yönlendirme ve takip sistemi, 0.55 ile 1.6 mikroradyan arasında bir nihai takip hassasiyeti sunmaktadır. Kuantum haberleşmesi ile çift yönlü optik haberleşme bantlarının aynı optik yolda bir arada kullanımı, zaman senkronizasyonu, veri iletimi ve gerçek zamanlı anahtar arıtımı adımlarının tek bir uydu geçişi sırasında tamamlanmasına olanak tanımıştır.

Deneysel uygulamalar Jinan, Hefei, Nanshan ve Wuhan gibi şehir içi ve dağlık alanlardaki farklı yer istasyonlarında yürütülmüş, tek bir geçiş sırasında 0.59 milyon bite varan gerçek zamanlı güvenli anahtar üretimi başarılmıştır. Jinan istasyonunda yapılan 300 saniyelik bir geçiş veri toplama sürecinde, kuantum bit hata oranı yüzde 0.76 ile 1.79 arasında gerçekleşmiş ve toplam 406.784 bit güvenli anahtar üretilmiştir. Tek lazer diyot tasarımı sayesinde fotonların uzay, zaman ve frekans boyutlarındaki birörnekliği korunmuş, yan kanal bilgi sızıntısı riskleri azaltılmıştır. Çift yönlü optik haberleşme üzerinden yürütülen alçak yoğunluklu eşlik denetimi kodlaması, mikrodalga bağlantılardaki günler süren gecikmeleri gerçek zamanlı düzeye indirmiştir.

Elde edilen bulgular, mikro uydular ve taşınabilir yer istasyonları kombinasyonunun küresel kuantum takımyıldızları için pratik, ekonomik ve ölçeklenebilir bir temel sunduğunu göstermektedir. Çalışma, uzay istasyonlarına ve mevcut uydu internet ağlarına entegre edilebilecek yüksek yoğunluklu kuantum sistemlerinin teknik fizibilitesini doğrulamaktadır. İki uydu geçişi üzerinden yapılan röle denemelerinde Jinan ve Nanshan istasyonları arasında 1.5 saat gibi son derece düşük bir gecikmeyle şifreli mesaj iletimi gerçekleştirilmiştir. Gelecek araştırmalar için fotonik çip tabanlı ışık kaynaklarının geliştirilmesi ve gündüz vakti kuantum anahtar dağıtımı yapabilecek optik filtreleme sistemlerinin incelenmesi önerilmektedir.