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Assessment of practical satellite quantum key distribution architectures for current and near-future missions

Orsucci, Davide und Kleinpaß, Philipp und Meister, Jaspar und De Marco, Innocenzo und Haeusler, Stefanie und Strang, Thomas und Walenta, Nino und Moll, Florian (2024) Assessment of practical satellite quantum key distribution architectures for current and near-future missions. International Journal of Satellite Communications and Networking. Wiley. doi: 10.48550/arXiv.2404.05668. ISSN 1542-0973.

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1MB

Offizielle URL: https://arxiv.org/abs/2404.05668

Kurzfassung

Quantum key distribution (QKD) allows the generation of cryptographic keys beyond the computational hardness paradigm and is befitting for secure data transmission requiring long-term security. The communication distance of fibre-based QKD, however, is limited to a few hundred kilometers due to the exponential scaling of signal attenuation. Satellite QKD (SatQKD) can instead leverage free-space optical links to establish long-range connections and enable global-scale QKD. In this work we review the manifold of design choices that concur to form the set of possible SatQKD architectures. These include the choice of the QKD protocol and its physical implementation, but also the satellite orbit, the optical link direction, and whether or not to use trusted-node relays. The possible SatQKD architectures are then evaluated in terms of key generation throughput, latency and maximum reachable communication distance, but also system-level security and implementation complexity. Given the technical challenges of realising SatQKD systems it is paramount, for near-future satellite missions, to adhere to the simplest possible architecture that still allows to deliver the QKD service. We thus identify as advisable options the use of low-Earth orbit satellites as trusted nodes for prepare-and-measure discrete-variable QKD downlinks with weak laser pulses. The decoy-state version of BB84 is found to be the most promising QKD protocols due to the maturity of the security proofs, the high key generation rate and low system complexity. These findings are confirmed by the multitude of current and planned SatQKD missions that are adopting these architectural choices.

elib-URL des Eintrags:https://elib.dlr.de/207019/
Dokumentart:Zeitschriftenbeitrag
Titel:Assessment of practical satellite quantum key distribution architectures for current and near-future missions
Autoren:
AutorenInstitution oder E-Mail-AdresseAutoren-ORCID-iDORCID Put Code
Orsucci, DavideDavide.Orsucci (at) dlr.dehttps://orcid.org/0000-0003-3087-8757NICHT SPEZIFIZIERT
Kleinpaß, PhilippPhilipp.Kleinpass (at) dlr.dehttps://orcid.org/0009-0009-9005-702XNICHT SPEZIFIZIERT
Meister, JasparJaspar.Meister (at) dlr.dehttps://orcid.org/0000-0002-2835-595XNICHT SPEZIFIZIERT
De Marco, Innocenzoinnocenzo.demarco (at) dlr.dehttps://orcid.org/0000-0001-7247-4764NICHT SPEZIFIZIERT
Haeusler, StefanieStefanie.Haeusler (at) dlr.dehttps://orcid.org/0009-0008-4490-4681NICHT SPEZIFIZIERT
Strang, Thomasthomas.strang (at) dlr.dehttps://orcid.org/0009-0000-1313-4751NICHT SPEZIFIZIERT
Walenta, NinoFhG HHINICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Moll, FlorianFlorian.Moll (at) dlr.deNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Datum:April 2024
Erschienen in:International Journal of Satellite Communications and Networking
Referierte Publikation:Ja
Open Access:Ja
Gold Open Access:Nein
In SCOPUS:Ja
In ISI Web of Science:Ja
DOI:10.48550/arXiv.2404.05668
Verlag:Wiley
ISSN:1542-0973
Status:akzeptierter Beitrag
Stichwörter:Quantum Key Distribution, Free-space Optical Communication
HGF - Forschungsbereich:Luftfahrt, Raumfahrt und Verkehr
HGF - Programm:Raumfahrt
HGF - Programmthema:Kommunikation, Navigation, Quantentechnologien
DLR - Schwerpunkt:Raumfahrt
DLR - Forschungsgebiet:R KNQ - Kommunikation, Navigation, Quantentechnologie
DLR - Teilgebiet (Projekt, Vorhaben):R - QKD-Systeme und ihre praktische Sicherheit
Standort: Oberpfaffenhofen
Institute & Einrichtungen:Institut für Kommunikation und Navigation > Optische Satellitenlinks
Institut für Satellitengeodäsie und Inertialsensorik
Hinterlegt von: Orsucci, Davide
Hinterlegt am:05 Dez 2024 11:19
Letzte Änderung:05 Dez 2024 11:19

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