低地球轨道卫星量子通信的综合设计与性能分析

利用卫星平台的光学量子通信有望将量子密钥分发 (QKD) 的范围从地面的约 200 公里极限扩展到全球尺度。我们开发了一套详尽的数值模拟，使用逼真的模拟轨道，并结合了指向误差、衍射、大气和望远镜设计的影响，以获得基于卫星的系统所经历的损耗和背景噪声估计。结合光源和探测器的量子光学模拟，我们确定了 QKD 的安全密钥长度，以及基础实验的纠缠可见度和可实现距离。我们分析了低地球轨道 (LEO) 卫星在量子光信号下行链路和上行链路场景下的性能。我们认为，将量子源位于地面的优势证明了与下行链路相比，上行链路具有更大的科学兴趣。配备至少 25 厘米直径地面发射器和卫星上 30 厘米接收望远镜的上行链路，可用于每周多次成功执行 QKD（使用纠缠光子源或弱相干脉冲源），以及执行长距离 Bell 测试和量子隐形传态。我们的模型有助于解决重要的设计考量，如工作波长、光源和探测器的类型及规格、望远镜设计、特定轨道和地面站位置，以期达到预期的整体系统性能。