QuSync - Pikosekunden-genaue Zeitsynchronisation für Freistrahlstrecken in weltraumbasierten Applikationen

Abstract

Die fortschreitende Entwicklung von Quantencomputern erfordert neue Verschlüsselungsverfahren wie die Quantenschlüsselerzeugung (QKD), um die Sicherheit der Kommunikation zu gewährleisten. QKD nutzt schwache optische Signale auf Einzelphotonen-Niveau, hat jedoch Einschränkungen in der Reichweite aufgrund optischer Verluste, weshalb satellitenbasierte QKD-Lösungen für die Hochsicherheitskommunikation über große Distanzen in Betracht gezogen werden. Das Projekt QuSync zielt darauf ab, eine präzise Zeitsynchronisation für solche Freistrahlstrecken zu entwickeln, um die Herausforderungen der hohen Signalraten und der Dopplerverschiebung zu bewältigen. Im Rahmen der Zusammenarbeit zwischen FAU, LMQ und OHB wurden Benutzeranforderungen definiert, die in technische Anforderungen mündeten, darunter eine Synchronisationsgenauigkeit von mindestens 100 Pikosekunden, eine schnelle Synchronisation innerhalb einer Sekunde und Kompatibilität mit QKD-Protokollen. Für die Implementierung wurde eine Wellenlänge von 1550 Nanometern gewählt, und es wurde eine Spread-Sequence in das Lasersignal eingebettet, um die Synchronisation zu verbessern. Die Tests zeigten, dass das System die geforderten Anforderungen hinsichtlich ynchronisationsgenauigkeit, Verluste von bis zu 48 dB und Resilienz gegenüber Dopplerverschiebungen erfüllt. The ongoing development of quantum computers requires new encryption methods such as Quantum Key Distribution (QKD) to ensure the security of communication. QKD utilizes weak optical signals at the single-photon level; however, it has limitations in range due to optical losses, which is why satellite-based QKD solutions are considered for high-security communication over long distances. The QuSync project aims to develop precise time synchronization for such free-space links to address the challenges of high signal rates and Doppler shifts. In cooperation between FAU, LMU, and OHB, user requirements were defined which translated into technical specifications, including a synchronization accuracy of at least 100 picoseconds, rapid synchronization within one second, and compatibility with QKD protocols. For implementation, a wavelength of 1550 nanometers was chosen, and a spread sequence was embedded in the laser signal to enhance synchronization. Tests showed that the system meets the required specifications regarding synchronization accuracy, losses of up to 48 dB, and resilience to Doppler shifts.