Analyzing the quantum based satellite communications  Page description

Help  Print 
Back »

 

Details of project

 
Identifier
112529
Type PD
Principal investigator Bacsárdi, László
Title in Hungarian Kvantum alapú műholdas kommunikáció vizsgálata
Title in English Analyzing the quantum based satellite communications
Keywords in Hungarian kvantumkommunikáció, kvantuminformatika
Keywords in English quantum communications, quantum computing
Discipline
Information Technology (Council of Physical Sciences)100 %
Ortelius classification: Informatics
Panel Informatics and Electrical Engineering
Department or equivalent Institute of Informatics and Economy (University of Sopron)
Starting date 2015-01-01
Closing date 2017-12-31
Funding (in million HUF) 8.736
FTE (full time equivalent) 2.10
state closed project
Summary in Hungarian
A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára
Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára.

A műholdas kommunikációt már régóta használjuk, és ismerjük bizonyos korlátait: nagyobb sávszélességre van szükség, és biztonságos valamint titkos kommunikációra. A kvantum alapú algoritmusok különböző kvantumfizikai jelenségeken alapulnak, és megoldást kínálnak olyan problémákra, mint prímfaktorizáció, keresés rendezetlen adatbázisban, kvantum alapú kulcsszétosztás és információkódolás. A kommunikáció egyik fontos kérdése, hogyan lehet megosztani egy titkos kulcsot különböző kommunikáló felek között, és erre a kvantum alapú kulcsszétosztás (angol rövidítéssel QKD) egy biztonságos megoldást kínál. A QKD-ben különböző polarizációjú fotonok feleltethetőek meg a kvantumállapotoknak. A valóban működő kvantum alapú műholdas megoldásokhoz szükségünk van pontos légköri modellekre, és választanunk kell különböző kvantumprotokollok közül. Mivel a kapcsolódó kvantumkriptográfiai protokollokban a fotonok különböző polarizációs állapotait használjuk, ezért a légkör optikai tulajdonságait kell jobban ismernünk.
Egy újszerű, komplex hálózati modellt dolgozunk ki a kutatásunkban, amely lehetővé teszi a globális, űr alapú kvantumkommunikációt. A készítendő modell segítségével a kvantum alapú műholdas kommunikáció követelményeit tudjuk azonosítani és vizsgálni mérnöki nézőponttól (pl. klasszikus és kvantum bithibaarány a teljes kommunikációs szegmensben, várakozási idő, kommunikációs költség stb.).

Mi a kutatás alapkérdése?
Ebben a részben írja le röviden, hogy mi a kutatás segítségével megválaszolni kívánt probléma, mi a kutatás kiinduló hipotézise, milyen kérdéseket válaszolnak meg a kísérletek.

A kvantum alapú műholdas kommunikáció megoldatlan kérdéseire fókuszálunk, az alábbi területeken: kvantum alapú műholdas kommunikáció számára fontos csatornák modellezése; egy komplex hálózati modell készítése, amely lehetővé teszi a globális kulcsszétosztást műholdakon keresztül; klasszikus és kvantum alapú hibajavítás a globális kulcscserélési eljárásban.
Megközelítésünkben a kommunikáló felek klasszikus információt szeretnének kicserélni egymással, ehhez szimmetrikus kulcsú kódolási eljárásokat használnak, a szükséges kulcscserét pedig kvantum alapon hajtják végre. Ilyen jellegű komplex hálózat vizsgálatával korábban nem foglalkoztak. Az elmúlt évek során, a vezető kutató 2012-ben írt doktori disszertációjára alapozva, matematikai modellünk segítségével elkezdtük megvizsgálni a kvantumalapú műholdas kommunikáció gyakorlati megvalósításának bizonyos paramétereit. Az előzetes kutatási eredményeket felhasználva szeretnénk megvizsgálni, milyen kvantuminformatikai kódolási eljárásokat tudunk alkalmazni a föld-műhold, műhold-föld, föld-föld kommunikációban.
A kutatás során létrehozunk egy megfelelő modellt és elvégzünk különböző elemzéseket. A komplex modellünk különböző földi állomásokat fog kezelni, amelyek különböző pályamagasságokon keringő műholdakon keresztül kommunikálnak. A területen eddig folytatott vizsgálatokon túlmenően egy olyan újszerű, komplex rendszert modellezünk és vizsgálunk, amely a kvantuminformatikai kulcsszétosztó megoldások mellett klasszikus (hagyományos) eljárásokat is használ a műholdas kommunikáció során.

Mi a kutatás jelentősége?
Röviden írja le, milyen új perspektívát nyitnak az alapkutatásban az elért eredmények, milyen társadalmi hasznosíthatóságnak teremtik meg a tudományos alapját. Mutassa be, hogy a megpályázott kutatási területen lévő hazai és a nemzetközi versenytársaihoz képest melyek az egyediségei és erősségei a pályázatának!

Különböző kvantumkulcsszétosztó (QKD) protokollok működését tanulmányozzuk a kvantum alapú műholdas kommunikációban, elsősorban a BB84, S09 és a folytonos változó protokollok (CV QKD) révén, a pályamagasságra, a csatornahosszra és a zenitszögre koncentrálva. A vizsgálatokat kiterjesztjük egy komplex, kvantum alapú műholdas hálózatra, amely rendszerben a műholdak különböző pályamagasságokban (pl. LEO, MEO, GEO) keringenek.
Olyan szimulációs vizsgálatokat végzünk, amelyek a gyakorlati kvantum alapú megoldások megvalósíthatóságának korlátjait vizsgálják (pontosan milyen kommunikációs költségekkel jár a kvantum-kulcscserén alapú kommunikáció, hogyan változik a teljes rendszer hibázása különböző fizikai paraméterek függvényében – különös tekintettel a műhold pályamagasságára valamint a műhold és a földi állomás látószögére). Ugyan fizikai mérések elvégzésére nincs lehetőség jelen kutatás keretében, de az MTA CSFK Soproni Geodéziai és Geofizikai Intézete révén különböző fizikai mérési adatokhoz hozzá tudunk jutni a meglévő kutatási együttműködéseink révén.
A komplex modellünk a föld-műhold, műhold-műhold és műhold-föld irányokat is tartalmazni fogja, és ezáltal lehetővé válik a műholdas QKD klasszikus és kvantum folyamatainak modellezése. A rendszer modelljét a QKD protokollok mellett kiterjesztjük további kvantum alapú protokollok vizsgálatára és elemzésére (pl. kvantum hibajavító kódolás).
A kutatás eredménye egy komplex vizsgálati modell, amely lehetővé teszi műholdas kommunikációs folyamatok szimulálását klasszikus és kvantum alapú eljárások felhasználásával (pl. klasszikus hibajavítás, kvantum alapú kulcsszétosztás stb.). A kutatási időszak végére olyan elemzések és vizsgálatok állnak majd rendelkezésre a kvantum alapú műholdas kommunikáció gyakorlati megvalósíthatóságával kapcsolatban, amelyek felhasználhatóak a hazai és a nemzetközi űripar számára.
A kutatás során épülő nemzetközi kapcsolathálózat segíthet a kutatás európai és nemzetközi beágyazódásába, és hozzájárulhat ahhoz, hogy hazai és nemzetközi pályázatokban kutatócsoportunk partnerként jelenhessen meg, segítve ezzel a kutatócsoport szerepvállalását és lehetőségeit Horizon 2020-as EU-s kutatási pályázatokban.

A kutatás összefoglalója, célkitűzései laikusok számára
Ebben a fejezetben írja le a kutatás fő célkitűzéseit alapműveltséggel rendelkező laikusok számára. Ez az összefoglaló a döntéshozók, a média illetve az adófizetők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI számára.

A kvantum alapú algoritmusok különböző kvantumfizikai jelenségeken alapulnak, és megoldást kínálnak olyan problémákra, mint prímfaktorizáció, keresés rendezetlen adatbázisban, kvantum alapú kulcsszétosztás és információkódolás. A kommunikáció egyik fontos kérdése, hogyan lehet megosztani egy titkos kulcsot különböző kommunikáló felek között, és erre a kvantum alapú kulcsszétosztás egy biztonságos megoldást kínál. A kutatás célja, hogy a kvantumkommunikáció alkalmazásával a műholdas kommunikációt (beleértve az űrtávközlést) hatékonyabbá tegyük. A műholdas kommunikáció azért érdekes számunkra, mert az űrben a veszteségek sokkal kisebbek, mint akár a legjobb minőségű optikai kábelben, így remélhetőleg nagyobb távolságban lehet megvalósítani ugyanazokat a protokollokat, amelyeket a Földön már sikerrel kipróbáltak. Egy komplex vizsgálati modellt készítünk és használunk, amely lehetővé teszi műholdas kommunikációs folyamatok szimulálását klasszikus és kvantum alapú eljárások felhasználásával (pl. klasszikus hibajavítás, kvantum alapú kulcsszétosztás stb.)
Summary
Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.

The satellite communication has been used for many years, and we know its limits. We need bandwidth with higher efficiency, and safe and secret communication. Quantum computing is based on various quantum effects and offers solutions for different problems, e.g., prime factorization, searching in unsorted database, key distribution and information coding. An important communication question is how a secret key can be distributed among the communication parties. The quantum key distribution (QKD) offers a secure solution for this problem. In QKD applications, different polarization of photons represents the quantum states. For successful quantum satellite based approaches, we need precise atmospheric model and we need to select between different quantum protocols. Since the current implementation of quantum cryptography protocols is based on photons, the exact description of the atmosphere's optical properties should be known. However, the feasibility of the different quantum algorithms is an open question.
We will develop a model of a complex network for enabling the global, space segment based quantum communication. Our complex network model will handle different ground stations on the Earth, satellites on different orbits, and communication channels with different kind of optical and transmission errors. With the help of the model, we could analyze different requirements of the quantum based communication from engineering point of view (e.g., the classical and the quantum bit error rate of the whole communication segment, waiting time, the cost of the communication, etc.)

What is the major research question?
Describe here briefly the problem to be solved by the research, the starting hypothesis, and the questions addressed by the experiments.

We will focus on the still open questions of the quantum based satellite communication. Our focuses are on the following: Modeling the optical channels which could be used in the quantum based satellite communications; Creating a complex network which enables the global key distribution via satellites; Classical and quantum error correction in the global key exchange process.
The communication parties would like to change some classical information, they use symmetric coding for the secure communication, the secret key is changed by a quantum key distribution protocol, the key is used for the classical coding in the communications, and at some point, the whole process has to restart. In the last years, we started to analyze selected parameters of the quantum based satellite communication based on a mathematical model published in the PhD dissertation of the postdoctoral researcher. We will develop our initial theoretical optical atmospheric channel model which describes the behavior of weak laser pulses to simulate the communication process over a satellite quantum channel.
We will create a model of a complex network for enabling the global, space segment based quantum communication. This complex model will handle different ground stations on the Earth, satellites on different orbits, communication needs from different purposes, and communication channels with different kind of optical errors (e.g., which are depending on different climate and/or weather conditions).

What is the significance of the research?
Describe the new perspectives opened by the results achieved, including the scientific basics of potential societal applications. Please describe the unique strengths of your proposal in comparison to your domestic and international competitors in the given field.

The research focuses on still unsolved questions of the quantum based satellite communications. We will develop a model of optical quantum channel based on physical parameters, and a simulation environment for analyzing the model.
Within the framework of the planned research project, there is no possibility to perform physical measurements regarding the optical parameters and properties of the atmosphere. However, our institute has good research cooperation with the Geodetic and Geophysical Institute (GGI), Research Centre for Astronomy and Earth Sciences, Hungarian Academy of Sciences at the Hungarian Academy of Sciences, whose headquarter is located in Sopron. The researchers of the GGI will supply us with physical measurement data of the optical atmospheric channel. Based on these data, we will be able to create a precise model of the free-space quantum based communication.
We will analyze the key exchange procedure of different protocols including BB84, S09 and different continuous variable protocols (CV QKD) focusing on errors in the functions of the orbital height and zenith angle of the satellite. We will analyze the performance of different classical and quantum error correction algorithms to supply the global, satellite based quantum key distribution. As a result, we will have a complex network model which enables us to model a real communication process using classical and quantum based algorithms (e.g., classical error correction, QKD, privacy amplification, etc.).
During the three years of the research, we can boost our international partnership, become active and recognized members of the research community. We hope that the future international cooperation can help us to play key role in international funding projects (e.g., projects of the European Horizon 2020 framework).

Summary and aims of the research for the public
Describe here the major aims of the research for an audience with average background information. This summary is especially important for NKFI in order to inform decision-makers, media, and the taxpayers.

Quantum computing is based on various quantum effects and offers solutions for different problems, e.g., prime factorization, searching in unsorted database, key distribution and information coding .An important communication question is how a secret key can be distributed among the communication parties. The quantum key distribution (QKD) offers a secure solution for this problem. In QKD applications, different polarization of photons represents the quantum states. Using satellite systems, the free-space quantum communication should be able to realize secret key agreement over long distances, and the quantum key distribution can be extended to achieve global quantum data protection. We will focus on the still open questions of the quantum based satellite communication. There is a need for a complex network which enables the global, space segment based quantum communication. This complex network will handle different ground stations on the Earth, satellites on different orbits, communication needs from different purposes and communication channels with different kind of optical and transmission errors which need to be handled. This complex network model enables us to model a real communication process using classical and quantum based algorithms (e.g., classical error correction, QKD, privacy amplification, etc.).





 

Final report

 
Results in Hungarian
A műholdas kommunikációt már régóta használjuk, és ismerjük bizonyos korlátait: nagyobb sávszélességre van szükség, és biztonságos valamint titkos kommunikációra. A kvantum alapú algoritmusok különböző kvantumfizikai jelenségeken alapulnak, és megoldást kínálnak olyan problémákra, mint prímfaktorizáció, keresés rendezetlen adatbázisban, kvantum alapú kulcsszétosztás és információkódolás. Kutatásunkban egy újszerű, komplex hálózati modellt dolgoztunk ki, amely lehetővé teszi a globális, műhold alapú kvantumkommunikációt. A kvantum alapú műholdas kommunikáció megoldatlan kérdéseire fókuszáltunk, az alábbi területeken: kvantum alapú műholdas kommunikáció számára fontos csatornák modellezése; egy komplex hálózati modell készítése, amely lehetővé teszi a globális kulcsszétosztást műholdakon keresztül; klasszikus és kvantum alapú hibajavítás a globális kulcscserélési eljárásban. Az elért kutatási eredmények a következő témakörökbe sorolhatóak: zaj modellezése a műhold alapú kvantumkommunikációban; szimulátor készítése a modell hatékony használatához; a modell eredményeinek összehasonlítása az időközben felbocsátott kínai kvantumkommunikációs műhold mérési adataival; összefonódás alapú műholdas kvantumhálózat vizsgálata; kvantum alapú hibajavító eljárások műholdas linkeken; komplex műholdas kulcsszétosztó hálózat szimulációja.
Results in English
The satellite communication has been used for many years, and we know its limits. We need bandwidth with higher efficiency, and safe and secret communication. The quantum communication is based on the laws of quantum mechanics, utilizes different quantum-based algorithms and protocols and often combines the classical and quantum processes. In the research named Analyzing the quantum based satellite communications, we focused on the open questions of the quantum based satellite communication. Our main points were the following: Modeling the optical channels which could be used in the quantum based satellite communications and creating a complex network which enables the global key distribution via satellites. Our key results are the following: loss model of quantum-based satellite communication; quantum satellite communication simulator based on our loss model; Comparing our model with measured data of the Chinese quantum communication satellite; Handling measurement basis in an entanglement-based QKD network; Quantum error correction on satellite links; Simulation of complex satellite-based QKD network.
Full text https://www.otka-palyazat.hu/download.php?type=zarobeszamolo&projektid=112529
Decision
Yes





 

List of publications

 
T. Bisztray, L. Bacsárdi: The Evolution of Free-Space Quantum Key Distribution, Infocommunications Journal, 2018
A. Kiss, L. Bacsardi: Analyzing the Effects of Atmospheric Factors in Earth-space and Space-Earth Quantum Communication Channels, 4th International Conference on Science, Technology and Education of Space, 2018
A. Ivan, L. Bacsardi: Simulation of different quantum error correction codes in free-space channels, 4th International Conference on Science, Technology and Education of Space, 2018
Comparing Calculated and Measured Losses in QuESS’s Quantum Channel: Máté Galambos, László Bacsárdi, 4th International Conference on Science, Technology and Education of Space, 2018
Andras Kiss, Laszlo Bacsardi: Analyzing First Generation Quantum Key Distribution Protocols in Low Earth Orbit Satellite Networks, Nanoposter2015 (April 13-19, 2015), 2015
Kiss András, Bacsárdi László: Első generációs kvantum kulcsszétosztás vizsgálata lézer alapú műholdas kommunikációban, Magyar Űrkutatási Fórum 2015:, 2015
Bacsárdi László: Biztonságos kommunikáció kvantumalapú hálózatokban, Természet Világa folyóirat, 2015
Bacsárdi László: Biztonságos kommunikáció kvantumalapú hálózatokban, Természet Világa folyóirat, 2015
Andras Kiss, Laszlo Bacsardi: Simulating Secure Key Distribution over Quantum Satellite Channel, Nanoposter 2016 (April 11-17,2016), 2016
Bacsárdi László: Az igazi kvantum csendje. Kvantumeszközök a hatékony kommunikáció szolgálatában, Természet Világa folyóirat, 2016
Andras Kiss, Laszlo Bacsardi: Quantum-based solutions in Low Earth Orbit Satellite Networks, H-SPACE 2016: 2nd International Conference on Research, Technology and Education of Space., 2016
Istvan Vercseg, Laszlo Bacsardi: Simulation of information transfer on quantum-based satellite network, 67th International Astronautical Congress, 2016
Laszlo Bacsardi, Roger Birkeland, Andreas Hornig, Shar Mansoor, Brandon Morrison, Yevgeny Tsodikovich: The current state and the future of Space Internet - the Space Generation Perspective, 67th International Astronautical Congress, 2016
Ákos Korsós, László Bacsárdi, Zsolt Kis: Simulation of Earth-satellite Quantum Key Distribution, H-SPACE 2017: 3rd International Conference on Research, Technology and Education of Space, 2017
Andras Kiss, Laszlo Bacsardi: Analyzing the Quantum Efficiency in Satellite-based Quantum Key Distribution Network, H-SPACE 2017: 3rd International Conference on Research, Technology and Education of Space, 2017
Ákos Korsós, László Bacsárdi, Zsolt Kis: An analysis of entanglened-based solutions on Earth-satellite channel, In: Bacsárdi L, Kovács K (szerk.) (szerk.) Selected papers of the 3rd International Conference on Research, Technology and Education of Space (H-SPACE2017). Budapest: Magyar Asztronautikai Társaság, 2017. pp. ., 2017
Andras Kiss, Laszlo Bacsardi: Entangled-based quantum information transfer on Earth-satellite channel, In: Proceedings of the 68th International Astronautical Congress . Adelaide, Ausztrália, 2017.09.25-2017.09.29. Kiadvány: 2017. pp. 1-5. Paper IAC-17-B.2.8-GTS.3.1. , 2017
Andras Kiss, Laszlo Bacsardi: Analyzing the Quantum Efficiency in Satellite-based Quantum Key Distribution Network, In: Bacsárdi L, Kovács K (szerk.) (szerk.) Selected papers of the 3rd International Conference on Research, Technology and Education of Space (H-SPACE2017). Budapest: Magyar Asztronautikai Társaság, 2017. pp. ., 2017
Bacsárdi László: A műholdas kommunikáció, TERMÉSZET VILÁGA 148: (10) 449, 2017
Bacsárdi László, Kiss András: Műholdas kvantum kulcsszétosztó hálózat hatékonyságának vizsgálata, In: Bacsárdi László, Szűcs Eszter, Wesztergom Viktor (szerk.) (szerk.) A Magyar Űrkutatási Fórum 2017 válogatott közleményei. Budapest: Magyar Asztronautikai Társaság, 2017. pp. ., 2017
László Bacsárdi, Ákos Korsós Zsolt Kis: Analyzing entanglement-based quantum key distribution on satellite-ground channel, In: Quantum Technology in Space, First Conference and WG Meeting . La Valletta, Málta, 2017.03.26-2017.03.31. Kiadvány: 2017. pp. 1 Paper 130041., 2017
Laszlo Bacsardi, Roger Birkeland, Andreas Hornig, Mansoor Shar, Brandon Morrison, Yevgeny Tsodikovich: Present and the Future of Space Internet: The Space Generation Perspective, NEW SPACE 5: (4) 257-267, 2017




Back »