ELEKTROTEHNIŠKI VESTNIK 92(N): 52–60, 2025 PREGLEDNI ZNANSTVENI ˇ CLANEK Priložnosti in izzivi kvantnih satelitskih komunikacij Katarina Radakovi´ c 1 , Vesna Eržen 1 , Lara Ulˇ cakar 2,3 , Anton Ramšak 2 , Boštjan Batagelj 1 , Rainer Kaltenbaek 2 , Andrej Lavriˇ c 1 1 Univerza v Ljubljani, Fakulteta za elektrotehniko, Tržaška cesta 25, 1000 Ljubljana, Slovenija 2 Univerza v Ljubljani, Fakulteta za matematiko in fiziko, Jadranska ulica 19, 1000 Ljubljana, Slovenija 3 Institut Jožef Stefan, Jamova cesta 39, 1000 Ljubljana, Slovenija E-pošta: andrej.lavric@fe.uni-lj.si Povzetek. Kvantna komunikacija prek optiˇ cnih satelitskih povezav je kljuˇ cen korak h globalnim varnim komunikacijskim omrežjem. Ta ˇ clanek ponuja celovit pregled priložnosti in izzivov povezanih z implementacijo kvantnih komunikacijskih tehnologij prek optiˇ cnih satelitskih povezav. Raziskujemo potencial sistemov za kvantno razdeljevanje kljuˇ cev (angl. Quantum Key Distribution – QKD) na dolge razdalje, kvantno prepleteno razdeljevanje in izgradnjo globalnih kvantnih omrežij, ki presegajo omejitve zemeljskih sistemov temeljeˇ cih na vlaknih. Edinstvene lastnosti optiˇ cnih satelitskih povezav, vkljuˇ cno z njihovo zmožnostjo pokrivanja velikih razdalj z minimalno izgubo signala, ponujajo obetavne priložnosti za robustne kvantne komunikacije. Vendar pa obstajajo pomembni tehniˇ cni in okoljski izzivi za uresniˇ citev teh sistemov, ki se nanašajo na zraˇ cno turbulenco, sledenje in usmerjanje žarka ter izgubo fotonov. Poleg tega obravnavamo potrebo po mednarodnem sodelovanju, standardizaciji in regulativnih okvirih, da bi zagotovili brezhibno integracijo v obstojeˇ co komunikacijsko infrastrukturo. Z analizo nedavnih poskusnih predstavitev in teoretiˇ cnega razvoja ta ˇ clanek poudarja kljuˇ cne mejnike, ki so bili doseženi, in opredeljuje podroˇ cja za nadaljnji razvoj. ˇ Clanek osvetljuje potencial satelitskih kvantnih komunikacij in njihovo vlogo pri oblikovanju naslednje generacije varnih komunikacijskih sistemov. Kljuˇ cne besede: kvantna tehnologija, telekomunikacije, kvantna komunikacija, satelitska komunikacija, kvantno razdeljevanje kljuˇ cev, kibernetska varnost, Opportunities and challenges of quantum satellite communications Quantum communication via optical satellite links is a crucial step towards global secure communication networks. This paper provides a comprehensive overview of the opportunities and challenges associated with the implementation of quantum communication technologies over optical satellite links. We explore the potential of such systems for long-distance quantum key distribution (QKD), quantum entanglement distribution, and the construction of global quantum networks that overcome the limitations of terrestrial fiber-based systems. The unique properties of optical satellite links, including their ability to span long distances with minimal signal loss, offer promising opportunities for robust quantum communications. However, there are significant technical and environmental challenges to realizing these systems, including atmospheric turbulence, beam tracking and pointing, and photon loss. In addition, we address the need for international cooperation, standardization and regulatory frameworks to ensure seamless integration into the existing communications infrastructure. By analyzing recent experimental demonstrations and theoretical developments, this paper highlights the crucial milestones that have been achieved and identifies key areas for future research. Our findings highlight the transformative potential of satellite-based quantum communications and its role in Prejet 3. marec, 2025 Odobren 21. marec, 2025 Avtorske pravice: © 2025 Creative Commons Attribution 4.0 International License shaping the next generation of secure communication systems. Keywords: quantum technology, telecommunications, quan- tum communication, satellite communication; quantum key distribution, cybersecurity 1 UVOD V sodobni informacijski družbi je zahtevana varna in za- sebna komunikacija, pri ˇ cemer je raˇ cunska kompleksnost doloˇ cenih matematiˇ cnih operacij temelj tradicionalnega šifriranja [1]. Po drugi strani pa v zadnjih desetletjih prihaja v ospredje kvantno razdeljevanje kljuˇ cev (angl. Quantum Key Distribution – QKD), ki je najbolj znan primer uporabe kvantnega šifriranja ter ponuja varno rešitev problema izmenjave šifrirnih kljuˇ cev s pomoˇ cjo zakonov kvantne fizike [2]. Skupni, nakljuˇ cni niz skriv- nih šifrirnih bitov, znan kot skrivni kljuˇ c, lahko ustvarita dva oddaljena uporabnika, zahvaljujoˇ c zakonom kvantne mehanike, pa je varen pred kakršnimkoli prisluškova- njem [3]. Ta kljuˇ c ponuja varen naˇ cin šifriranja (in dešifriranja) sporoˇ cila, zato ga je mogoˇ ce poslati po javnem komunikacijskem kanalu. Zmožnost obeh uporabnikov, da identificirata katero koli tretjo osebo, ki poskuša zlonamerno prevzeti kljuˇ c, je pomembna lastnost QKD. To izhaja iz osnovnega naˇ cela kvantne mehanike, da postopek merjenja kvan- PRILOŽNOSTI IN IZZIVI KV ANTNIH SATELITSKIH KOMUNIKACIJ 53 tnega sistema v splošnem moti sam sistem. Kljuˇ c, ki ga želi izmeriti tretja oseba z namenom prisluškovanja, povzroˇ ci opazne nepravilnosti v originalnem kljuˇ cu. To pomeni, da je z uporabo kvantne superpozicije ali kvantne prepletenosti in prenosa informacij v kvantnih stanjih mogoˇ ce implementirati komunikacijski sistem, ki zaznava prisluškovanje. Mogoˇ ce je ustvariti kljuˇ c, ki bo zagotovo varen, ˇ ce ne bo zaznano prisluškovanje. V nasprotnem primeru se komunikacija prekine in ni mo- goˇ ce uporabiti nobenega varnega kljuˇ ca. Vsa ta naˇ cela so že dolgo znana in tudi implementirana v zemeljskih komunikacijah prek optiˇ cnih vlakenskih povezav, vendar zaradi slabljenja optiˇ cnega vlakna ne dosegajo globalnih razsežnosti. Narašˇ cajoˇ ce povpraševanje po višjih podatkovnih zmogljivostih se je v zadnjih letih odražalo v razvoju t.i. prostozraˇ cnih optiˇ cnih komunikacij (angl. Free Space Optics Communication – FSOC). FSOC je alternativna rešitev za dostop do konˇ cnega uporabnika [4]. Konven- cionalne radiofrekvenˇ cne (angl. Radio Frequency – RF) in mikrovalovne tehnologije imajo v primerjavi s FSOC omejeno frekvenˇ cno pasovno širino. Dodatno pa FSOC v kombinaciji z optiˇ cno vlakensko infrastrukturo poveˇ ca zanesljivost omrežja [5]. V zadnjem desetletju je komercializacija vesolja pov- zroˇ cila ogromno poveˇ canje majhnih umetnih satelitov v nizki zemeljski tirnici (angl. Low Earth Orbit – LEO), kjer po številu nedvomno izstopajo sateliti Starlink [6], ki so za medsebojno neposredno komunikacijo prvi za- ˇ celi uporabljati tehnologijo FSOC. S tem so se pokazale možnosti, da satelitske konstelacije v LEO na osnovi FSOC postanejo globalna rešitev za varno izmenjavo kvantnih šifrirnih kljuˇ cev na dolge razdalje. To lahko preseže alternative osnovane na optiˇ cnih vlaknih. Prenos tehnoloških rešitev QKD, ki so zasnovane na optiˇ cnih vlaknih, na tehnologijo FSOC ni preprost in je povezan z nekaterimi tehnološkimi izzivi. Omejitve se nanašajo na raznovrstne motnje v ozraˇ cju, na potrebo po neposredni vidljivosti in nenazadnje po zanesljivih relejnih postajah (angl. trusted nodes), ki pa so seveda zahtevane tudi na daljših povezavah po optiˇ cnih vlaknih. V zadnjem desetletju je bilo izvedenih veˇ c uspešnih demonstracij QKD prek satelita na osnovi prepletenih fotonov[7] in protokola BB84 [8], [9], [10], [11]. Evrop- ska unija (EU) je leta 2025 razpisala projekt Connecting Europe Facility (CEF), katerega cilj je ustvariti prvo evropsko QKD satelitsko omrežje, pri katerem se bodo sodelujoˇ ce ˇ clanice EU priklopile na evropski satelit Eagle-1, ki bo nosil napravo za QKD. QKD bo deloval na osnovi protokola BB84 z metodo vabe (angl. decoy state). V tem preglednem ˇ clanku so najprej izposta- vljene edinstvene lastnosti optiˇ cnih satelitskih povezav, vkljuˇ cno z njihovim potencialom premagovanja velikih razdalj z minimalno izgubo signala, kar ponuja obetavne priložnosti za robustne kvantne komunikacije. Nadalje ˇ clanek opisuje tehnologiji prostozraˇ cne optiˇ cne zveze in kvantnega razdeljevanja kljuˇ cev. V ˇ cetrtem poglavju sledi opis strukture kvantnih komunikacijskih omrežij. Peto poglavje osvetli možnosti in podaja izzive, ki jih prinašajo satelitske omrežne arhitekture za kvantno razdeljevanje kljuˇ cev. Pomembni tehniˇ cni in okoljski izzivi za uresniˇ citev kvantnih komunikacijskih siste- mov, vkljuˇ cno s turbulenco v ozraˇ cju, sledenjem in usmerjanjem žarka ter izgubo fotonov so izpostavljeni v šestem poglavju. V zakljuˇ cku ˇ clanka se opredeljujemo o napredku in razvoju na tem podroˇ cju. 2 PROSTOZRA ˇ CNA OPTI ˇ CNA KOMUNIKACIJA Delovanje FSOC, ki je prikazano na sliki 1, je precej preprosto. Modulirana laserska svetloba se prenaša med oddajnikom in sprejemnikom. Svetloba se fokusira proti sprejemniku z uporabo leˇ c ali paraboliˇ cnih zrcal, kjer se ujame in usmeri na optiˇ cni detektor. Z detekcijo na navadni polprevodniški fotodiodi se optiˇ cni signal pretvori v elektriˇ cnega. laser modulator fotodioda A/D demodulator vhodni podatki izhodni podatki optika optika prostozraˇ cna svetlobna zveza 1550 nm infrardeˇ ca FSOC oddajnik FSOC sprejemnik Slika 1: Gradniki optiˇ cne komunikacije v prostem prostoru (angl. Free Space Optics Communication – FSOC) V nasprotju z drugimi brezžiˇ cnimi sistemi, ki upo- rabljajo RF-spekter, tehnologija FSOC uporablja vidni in infrardeˇ ci (IR) svetlobni spekter [12]. Prednost sve- tlobnega spektra je, da je ne-licenciran, saj naprave FSOC navadno delujejo na skoraj infrardeˇ cih (angl. near-infrared – NIR) valovnih dolžinah med 700 in 1600 nm [13]. Ta spekter ni podvržen licenciranju tudi zato, ker je signal oddan v manjšem prostorskem kotu in je poslediˇ cno sistem manj dovzeten za motenje. Ker FSOC porabi manj energije kot brezžiˇ cni RF-sistemi, je cenejši in ima manjši vpliv na okolje. Njegovi ozki žarki potujejo skozi manjši prostor, s ˇ cimer dosežejo veˇ cje gostote moˇ ci. Tako se odpravi potreba po oddajnikih visoke moˇ ci. V FSOC so mogoˇ ce tudi majhne izvedbe oddajnikov v nasprtju z RF-zvezami, kar je slabost, ki izvira iz velikosti RF-anten. Ker je optiˇ cne povezave težje prestreˇ ci, FSOC zagotavlja tudi veˇ cjo varnost [14]. Tehnologija FSOC postaja vse pomembnejši del satelit- skih komunikacij, ne glede na to, ali gre za komunikacijo med satelitom in Zemljo ali med dvema satelitoma. To je še zlasti uporabno v slednjem primeru, ko ni vpli- vov ozraˇ cja, s ˇ cimer so teoretiˇ cno mogoˇ ce podatkovne hitrosti terabitov na sekundo [6]. Pri analizi delovanja FSOC je treba upoštevati številne zunanje in notranje veliˇ cine. Na zasnovo sistema FSOC 54 RADAKOVI ´ C, ERŽEN, UL ˇ CAKAR, RAMŠAK, BATAGELJ, KALTENBAEK, LA VRI ˇ C vplivajo notranje veliˇ cine, ki vkljuˇ cujejo obˇ cutljivost sprejemnika, stopnjo bitnih napak (angl. bit error rate – BER), premer sprejemne leˇ ce in vidno polje sprejemnika (angl. Field of View – FOV) na sprejemni strani ter optiˇ cno moˇ c, valovno dolžino, pasovno širino prenosa, divergenˇ cni kot in optiˇ cno izgubo na oddajni strani. Vidljivost in slabljenje v zraku, migotanje (scintilacija), medsebojna razdalja, izguba okna in izguba zaradi ne- pravilne poravnave so primeri zunanjih veliˇ cin, ki so povezani z okoljem, v katerem mora sistem delovati [12]. 3 KVANTNO RAZDELJEVANJE KLJU ˇ CEV Kvantno razdeljevanje kljuˇ cev (angl. Quantum Key Di- stribution – QKD) temelji na razdeljevanju kvantnih bitov (kubitov) med dvema uporabnikoma. Ob meritvi kubitov generirata enaki nakljuˇ cni zaporedji števil tako, da je varno pred nepooblašˇ cenim dostopom. Najbolj znan protokol QKD je BB84, ki sta ga razvila Charles Bennett in Gilles Brassard leta 1984 [15]. V nasprotju s tradicionalnimi metodami izmenjave kljuˇ cev, ki teme- ljijo na matematiˇ cnih orodjih, se QKD zanaša na naˇ cela kvantne fizike. V ospredju sta predvsem dve naˇ celi: naˇ celo superpozicije in naˇ celo kvantne prepletenosti fo- tonov; pomembno pa je tudi Heisenbergovo naˇ celo nedo- loˇ cenosti. QKD za kodiranje kubitov uporablja lastnosti fotona, kot sta polarizacija in faza, lahko pa za kodiranje uporabi tudi amplitudo signala. Ta kvantna stanja so obˇ cutljiva in jih ni mogoˇ ce izmeriti ali prestreˇ ci, ne da bi motnjo odkrili, zaradi ˇ cesar je prisluškovanje mogoˇ ce zaznati. Tehnologija QKD omogoˇ ca varno izmenjavo šifrirnih kljuˇ cev po optiˇ cnih povezavah, ki so lahko žiˇ cne (z uporabo optiˇ cnih vlaken) ali brezžiˇ cne (FSOC), kot prikazuje slika 2. Vendar pa se omrežja QKD, ki temeljijo na optiˇ cnih vlaknih, sooˇ cajo s številnimi izzivi pri razdeljevanju tajnih kljuˇ cev na širših geografskih obmoˇ cjih. To je predvsem posledica eksponentnega po- veˇ canja izgube moˇ ci v odvisnosti od razdalje v optiˇ cnih vlaknih, kar moˇ cno omejuje izmenjavo šifrirnih kljuˇ cev na velikih razdaljah [4]. laser optika optika prostozraˇ cna svetlobna zveza QKD oddajnik QKD sprejemnik QKD modulator QKD demodulator Slika 2: Gradniki prostozraˇ cne optiˇ cne komunikacije (angl. Free Space Optics Communication – FSOC) za kvantno raz- deljevanje kljuˇ cev (angl. Quantum Key Distribution – QKD) Komunikacija za kvantno izmenjavo kljuˇ cev se izvaja na dveh kanalih: kvantnem kanalu, ki se uporablja za prenos kvantnih stanj in klasiˇ cnem kanalu, ki se upora- blja za usklajevanje kljuˇ cev in odpravljanje napak. Glede na tip spremenljivke lahko protokole QKD razdelimo v dve skupini, odvisno od vrste kvantnih stanj, uporabljenih za kodiranje informacij. Razlikujemo kvantno razdeljevanje kljuˇ ca z uporabo zveznih spre- menljivk (angl. Continuous Variable QKD – CV-QKD) in kvantno razdeljevanje kljuˇ ca z uporabo diskretnih spremenljivk (angl. Discrete Variable QKD – DV-QKD). Gre za dva razliˇ cna pristopa kvantnega razdeljevanja kljuˇ cev, ki temeljita na razliˇ cnih naˇ celih in metodah prenosa kvantnih informacij, zahtevata pa tudi drugaˇ cno strojno opremo na fiziˇ cnem nivoju [16]. 3.1 DV-QKD Kljuˇ cni koncept protokolov DV-QKD je uporaba dis- kretnih kvantnih stanj (navadno posameznih fotonov) za kodiranje informacij. Vsak kubit lahko predstavlja stanje 0, 1 ali superpozicijo obeh, kar omogoˇ ca inovativno in uˇ cinkovito kodiranje informacij. Kvantni lastnosti, ki se v tem primeru uporabljata, sta polarizacija in faza fotona. Najpogosteje uporabljena protokola pa sta BB84 in E91, ki ga je predlagal Artur Ekert leta 1991 [17]. Izmenjava kljuˇ cev po protokolu BB84 z uporabo polari- zacije poteka po naslednjem zaporedju: oddajnik gene- rira šibki impulz na nivoju posameznih fotonov, recimo z moˇ cno oslabljenim laserjem. Oddajnik nato nakljuˇ cno izbira med dvema polarizacijskima bazama: premoˇ crtno (horizontalna in vertikalna) ali diagonalno (+45° in - 45°). Vsak kubit je kodiran v polarizaciji šibkega im- pulza glede na izbrano bazo. Kubiti se nato pošljejo prek kvantnega kanala do sprejemnika, ki jih pomeri. Navadno se za merjenje polarizacije prejetih kubitov uporabljajo polarizacijski žarkovni razcepnik (angl. Po- larization Beam Splitter – PBS) in detektorji posameznih fotonov. Sprejemnik prav tako nakljuˇ cno izbere eno od dveh polarizacijskih baz in izmeri polarizacijo kubita. Rezultatom meritev se pripiše bitne vrednosti, recimo 0 se pripiše meritvi horizontalne ali diagonalne polariza- cije, 1 pa meritvi vertikalne ali antidiagonalne. Meritve kubitov, ki so bili zakodirani in pomerjeni v isti bazi, se ohranijo, preostale se zavrže. Po opravljeni meritvi se napake odpravljajo z usklajevanjem izbranih baz med oddajnikom in sprejemnikom prek klasiˇ cnega komunika- cijskega kanala. Ta postopek vkljuˇ cuje primerjavo izmer- jenih vrednosti, da se ugotovi morebitna neskladnost, ki lahko nastane zaradi šuma ali poskusov prisluškovanja, kar je kljuˇ cno za zagotavljanje varnosti in zanesljivosti komunikacije v klasiˇ cnih sistemih. Po meritvah je treba izvesti algoritem odpravljanja napak. Najprej se oceni pogostnost kubitne napake (angl. Quantum Bit Error Rate – QBER ), in ˇ ce ta preseže teoretiˇ cno doloˇ ceno vrednost, to pomeni, da nekdo prisluškuje. ˇ Ce je nižji, pa se izvede algoritem odpravljanja napak. S tem QKD ponuja dodatne mehanizme za zašˇ cito pred napakami in prisluškovanjem s pomoˇ cjo kvantnih lastnosti, kar poveˇ cuje celotno varnost kljuˇ ca. Odkritje prisluškovanja, ki je mogoˇ ce s prekomerno poveˇ canim QBER, dodatno krepi integriteto prenesenega kljuˇ ca. Varnost QKD je bila potrjena v številnih raziskavah in eksperimentalnih testiranjih, prav tako študije, povezane s protokolom PRILOŽNOSTI IN IZZIVI KV ANTNIH SATELITSKIH KOMUNIKACIJ 55 BB84, potrjujejo njegovo uˇ cinkovitost, kar ga še naprej uvršˇ ca med temeljne pristope v kvantni komunikaciji. Eden od mogoˇ cih napadov na protokole QKD je napad prestrezanja in ponovnega pošiljanja. To se zgodi, ko prisluškovalec prestreže fotone, jih izmeri in ponovno pošlje prejemniku. Ker prisluškovalec ne pozna baze po- larizacije oddajnika, lahko pomeri polarizacijo v napaˇ cni bazi in s tem podre valovno funkcijo, kar privede do konˇ cne QBER. Z rednim preverjanjem stopnje napak oddajnik in sprejemnik zaznata prisluškovanje in ˇ ce zaznata preveˇ c napak, se protokol prenosa šifrirnega kljuˇ ca prekine. BB84 je bil pozneje nagrajen v razliˇ cico, poime- novano QKD z metodo vabe. Ta uporablja posebne šibke koherentne impulze, ki delujejo kot "vabe"in pri- sluškovalcem prepreˇ cujejo, da bi ugotovili, kateri šibki koherentni impulzi so pravi in kateri ne. Poleg protokola BB84 in QKD z metodo vabe se v kvantni kriptografiji uporabljajo tudi drugi protokoli, kot sta že omenjeni protokol E91 in BBM92 (Bennter, Brassard, Mermin, 1992). Medtem ko uporabne imple- mentacije protokola E91 še ni, na BBM92 temeljijo vsi protokoli na osnovi kvantne prepletenosti. Njegov princip je deljenje prepletenih parov fotonov in njihova uporaba za ustvarjanje kljuˇ cev. Pri tem varnost temelji na Bellovem izreku [18]. 3.2 CV-QKD Kvantno razdeljevanje kljuˇ ca z uporabo zveznih spre- menljivk (CV-QKD) je pozneje razviti pristop h QKD, ki kodira informacije z uporabo zveznih lastnosti sve- tlobe, kot so amplitudne in fazne kvadrature koheren- tnih stanj [19]. Njegova bistvena prednost je, da je združljiv z obstojeˇ cimi klasiˇ cnimi optiˇ cnimi sistemi, kar ima pomemben ekonomski uˇ cinek; v doloˇ cenih pogojih ponuja tudi hitrejši prenos. Za generiranje koherentnih stanj svetlobe se uporabljajo obstojeˇ ci laserski viri, za merjenje kvadratur vhodne svetlobe pa homodinska ali heterodinska detekcija, ki je lažje izvedljiva kot detek- cija posameznega fotona. Amplitudna (X) in fazna (P) kvadratura protokolov CV-QKD sta zvezni in modulirani glede na Gaussovo porazdelitev. Protokoli CV-QKD na splošno delujejo tako, da od- dajnik ustvari nakljuˇ cni Gaussov porazdeljeni niz vre- dnosti, ki kodirajo informacije v amplitudnih in fa- znih kvadraturah svetlobe. Kvadrature so modulirane z uporabo standardnega laserskega vira, koherentna stanja pa so poslana sprejemniku po obstojeˇ cem optiˇ cnem kanalu. Sprejemnik nato izmeri kvadraturo z uporabo homodinske ali heterodinske detekcije. Pri homodinski detekciji gre za merjenje kvadrature X ali P, medtem ko heterodinska vkljuˇ cuje soˇ casno merjenje obeh kvadratur. Pri sprejemu lahko priˇ cakujemo nepopolnosti prejetih podatkov, ki so posledica izgub in šuma na prenosni poti. Oddajnik in sprejemnik primerjata svoje merilne baze in se tako kot pri DV-QKD odloˇ cita, katere meritve bosta obdržala in katere ne. Obdržita le tiste, pri katerih se baze ujemajo. Izzivi CV-QKD izhajajo iz kompleksne narave tovr- stnih protokolov, zlasti pri oblikovanju in izvajanju var- nostnih analiz. Teoretiˇ cna podlaga CV-QKD vkljuˇ cuje zahtevne matematiˇ cne modele kvantnih mehanizmov, kar otežuje preverjanje varnosti protokolov pred mo- rebitnimi napadi. Poleg tega je raznolikost detektorjev, uporabljenih v sistemih CV-QKD, povezana z dodatnim šumom, ki lahko vpliva na natanˇ cnost meritev. Visokoz- mogljivi detektorji, kot so tisti, ki delujejo na osnovi kvantnega šuma, lahko vnašajo napake v meritev, kar otežuje odkrivanje prisluškovanja in zmanjšuje skupno zanesljivost prenosa informacij [20], [21], [22], [23]. V tabeli 1 je podana primerjava med DV-QKD in CV- QKD. 4 STRUKTURA IN TEHNOLOGIJE KVANTNIH KOMUNIKACIJSKIH OMREŽIJ Kvantna omrežja imajo podobno osnovno strukturo kot klasiˇ cna omrežja [24]. Vsebujejo vozlišˇ ca, kjer se upo- rabljajo kvantni procesorji z vsaj enim kubitom. V zapletenejših primerih je treba imeti veˇ c kubitov in kvantni pomnilnik, kar poveˇ ca kompleksnost. Glavna prednost kompleksnejših vozlišˇ c je, da lahko shranjujejo in ponovno prenašajo kvantne podatke, ne da bi motili kvantna stanja [25]. Nekateri kljuˇ cni elementi strojne opreme, ki bistveno loˇ cijo kvantne komunikacijske sisteme od klasiˇ cnih, so enofotonski viri in detektorji. Oslabljeni laserji so najpogostejša vrsta enofotonskih virov. So stroškovno uˇ cinkoviti, preprosti za izvedbo in imajo zelo visoko stopnjo ponavljanja. Ustvarjajo šibke koherentne sve- tlobne impulze, kjer je povpreˇ cno število fotonov na impulz nadzorovano tako, da je zelo majhno. S tem lahko posnemajo enofotonske vire, zato so uporabni tudi v protokolih DV-QKD. Porazdelitev števila fotonov sledi Poissonovi porazdelitvi: veˇ cina impulzov vsebuje niˇ c ali en foton; verjetnost, da vsebuje veˇ c fotonov, je majhna. Drugi pogosti viri fotonov so viri prepletenih fotonov. Proizvajajo prepletene pare fotonov, pri ˇ cemer je stanje enega fotona moˇ cno korelirano z drugim, ne glede na razdaljo med njima. Ti viri se generirajo s pomoˇ cjo nekaterih metod, kot so: spontana parametrska pretvorba navzdol (angl. Spontaneous parametric down-conversion – SPDC) [26], spontano štirivalovno mešanje (angl. Spontaneous Four-wave Mixing – SFWM) [27], kvantne pike [28] ali hladni atomi [29] in ujeti ioni [30]. Vendar pa so ti viri zelo kompleksni, saj zahtevajo natanˇ cno usklajevanje in visokozmogljivo nelinearno optiko, kar lahko znatno poveˇ ca stroške njihove izvedbe[4], [31]. Najpogosteje uporabljeni detektorji posameznih fo- tonov so t.i. plazovni detektorji (angl. Single-photon avalanche diode – SPAD) in superprevodni nano-žiˇ cni enofotonski detektorji (angl. Superconducting nanowire single-photon detector – SNSPD). SPAD je zgrajen iz 56 RADAKOVI ´ C, ERŽEN, UL ˇ CAKAR, RAMŠAK, BATAGELJ, KALTENBAEK, LA VRI ˇ C Vidik CV-QKD DV-QKD kodiranje zvezne vrednosti (amplituda, faza) diskretne vrednosti (binarna stanja, 0/1) vir koherentni vir svetlobe (laser) enofotonski in koherentni viri detekcija homodinska ali heterodinska enofotonska detekcija baza kvadrature X (amplituda) in P (faza) diskretne polarizacije (horizon- talna/vertikalna, diagonalna) združljivost soobstoj s klasiˇ cnimi optiˇ cnimi sistemi namenski kvantni kanal dokazovanje zapleteni postopki dokazovanja varnosti enostavni in uveljavljeni varnostni dokazi obˇ cutljivost velika obˇ cutljivost na šum in turbulence manjša obˇ cutljivost na šum kompleksnost enostavnejša detekcija kompleksno detektiranje posameznih fotonov integracija enostavna integracija v obstojeˇ ca optiˇ cna omrežja zahteva namensko kvantno opremo in kanal protokoli Gaussovo modulirana koherentna stanja (GMCS), protokoli zveznih spremenljivk BB84, E91, stanje vabe QKD izzivi šum, dokazovanje varnosti, naˇ celo nedoloˇ cenosti pri detekciji izgube kanala, neuˇ cinkovita detekcija, izguba polarizacije Tabela 1: Primerjava lastnosti metode za kvantno razdeljeva- nje kljuˇ ca z uporabo zveznih spremenljivk (angl. Continuous Variable QKD – CV-QKD) in metode za kvantno razdeljeva- nje kljuˇ ca z uporabo diskretnih spremenljivk (angl. Discrete Variable QKD – DV-QKD). polprevodnikov, ki delujejo v tako imenovanem Gei- gerjevem naˇ cinu, kjer lahko en sam foton sproži velik plaz nabitih nosilcev naboja. Obrnjena polariteta diode omogoˇ ca, da elektriˇ cno polje pospeši nosilce naboja ob vstopu fotona v napravo, kar sproži plaz drugih nosilcev in vodi do elektriˇ cnega impulza. Povedano drugaˇ ce: ko foton vstopi v diodo, to povzroˇ ci ionizacijo, kar sproži proces množiˇ cne reprodukcije nosilcev naboja. Ta proces je kljuˇ cen za delovanje plazovnega detektorja. Detektorji SPAD so idealni za uporabo v stroškovno obˇ cutljivih in kompaktnih rešitvah, zlasti pri zaznavanju fotonov v vidnem spektru pri nižjih temperaturah. SNSPD temeljijo na tankih superprevodnih nanožicah, ohlajenih na kriogene temperature. Ko foton zadene nanožice SNSPD, je superprevodno stanje moteno, kar poslediˇ cno ustvari napetostni impulz. Ti detektorji se ponašajo z visoko uˇ cinkovitostjo zaznavanja do 90 od- stotkov in nižjim termiˇ cnim šumom, vendar zahtevajo kriogeno hlajenje in so poslediˇ cno dražji. Za prenos kubitov v okviru kvantnih komunikacij lahko uporabimo standardna optiˇ cna vlakna ali FSOC. Kvantno optiˇ cno zemeljsko omrežje je mogoˇ ce zgraditi z opremo, podobno tisti v klasiˇ cnih optiˇ cnih komu- nikacijskih omrežjih, z obstojeˇ cimi enorodovnimi in mnogorodovnimi vlakni. Komunikacije FSOC pa se v nasprotju z optiˇ cnim vlaknom zanašajo na neposredno vidljivost (angl. line of sight – LOS). FSOC omogoˇ ca hitrejši prenos šifrirnega kljuˇ ca, vendar naleti na težave pri komunikaciji na veˇ cjih razdaljah zaradi motenj v ozraˇ cju. Kvantni repetitorji so kljuˇ cna tehnologija za prenos kubitov na velike razdalje. Delujejo na naˇ celu kvantne prepletenosti, kjer se stanje kubita razdeli na veˇ c re- petitorjev. Klasiˇ cno ojaˇ cenje signala ni mogoˇ ce zaradi kvantne zakonitosti, ki se nanaša na izrek o prepovedi kloniranja. Koncept kvantnega repetitorja je podoben klasiˇ cnemu, pri ˇ cemer je razdalja prenosa razdeljena na posamezne segmente. Vsak segment vsebuje enega ali veˇ c kvantnih repetitorjev. Kvantni repetitor prejme fo- tone iz drugih vozlišˇ c in na njih izvede Bellovo meritev, ki vzpostavi kvantno prepletenost med kubiti na od- daljenih vozlišˇ cih. Zmanjšanje izgub omogoˇ ca uporaba tehnik, kot so zamenjava prepletenosti ter ˇ cišˇ cenje (puri- fikacija) in shranjevanje (angl. entanglement swapping, purification and storage) [32]. Zamenjava prepletanja je proces, ki povezuje prepletena stanja med razliˇ cnimi repetitorji, kar podaljšuje njihov doseg in omogoˇ ca prenos informacij na daljših razdaljah. Postopek puri- fikacije izboljšuje kakovost prepletenih stanj, odpravlja napake in zagotavlja zanesljivejši prenos informacij. Shranjevanje kvantnih stanj omogoˇ ca, da se ti uporabijo pozneje za sinhronizacijo med repetitorji. Uˇ cinkovit prenos kvantnih informacij zahteva sinergijski uˇ cinek opisanih tehnik za ohranjanje in izboljšanje kakovosti oznak in stikov med repetitorji, kar poveˇ cuje zanesljivost in razdaljo komunikacije. Kvantni repetitorji skupaj s preostalimi kvantnimi tehnologijami tvorijo hrbtenico kvantnega interneta s povezovanjem konˇ cnih vozlišˇ c. Izzivi v povezavi s kvantnimi repetitorji so: odpravljanje napak pri prenosu in izboljšanje kakovosti prenosa; PRILOŽNOSTI IN IZZIVI KV ANTNIH SATELITSKIH KOMUNIKACIJ 57 implementacija uˇ cinkovitih tehnik za korekcijo napak; vsak dodatni repetitor poveˇ ca kompleksnost omrežja, kar vodi do veˇ cjih izzivov pri sinhronizaciji in obvladovanju prepletenih stanj kubitov; shranjevanje kubitov je izziv zaradi težnje kubitov k hitri dekoherenci stanja; proizvo- dnja zadostnih koliˇ cin prepletenih kubitov; integracija v obstojeˇ co infrastrukturo. 5 SATELITSKE OMREŽNE ARHITEKTURE ZA KVANTNO RAZDELJEVANJE KLJU ˇ CEV V zadnjem desetletju je bilo izvedenih veˇ c pomembnih projektov in poskusov na podroˇ cju satelitske QKD, ki so temeljili na prepletenih fotonih [7] in protokolu BB84 [8], [9]. Prvi kljuˇ cni dosežek je bil leta 2016 dosežen na Kitajskem s satelitom Micius, ki velja za prvi satelit, prek katerega so uspešno demonstrirali QKD na velike razdalje. Leta 2017 je bil izveden prvi medcelinski kvantno šifrirani videoklic. Kitajska je ta eksperiment izvedla tudi v sklopu svojega zemeljskega kvantnega komunikacijskega omrežja [10]. Singapurska vesoljska agencija je s pomoˇ cjo univerze Nanyang Technological University (NTU) in evropskih partnerjev leta 2019 izstrelila SpooQy-1 [33], manjši satelit [34], namenjen testiranju kvantnih komunikacij v LEO, kar je bila prva uspešna demonstracija generiranja prepletenih fotonov v vesoljski tirnici. Evropska vesoljska agencija (ESA) in zasebni opera- ter SES sta v obdobju od 2020 do 2024 v okviru projekta QUARTZ (Quantum Cryptography Telecommunication System) razvila QKD rešitve za komercialne komuni- kacije z uporabo tehnologije BB84 na geostacionarnih satelitih SES O3b. To je bila prva uspešna demonstracija QKD v realnih satelitskih omrežjih. V obdobju od 2023 do 2025 je kanadska vesoljska agencija razvija Quantum EncrYption and Science Sa- tellite (QEYSSat), ki je namenjen testiranju satelitske in- frastrukture QKD [35]. Cilj je vzpostaviti kvantno varne povezave med vladnimi in raziskovalnimi ustanovami v Kanadi. Projekti, kot so Micius, SpooQy-1, QUARTZ in QEYSSat, so pokazali, da je satelitska QKD tako rekoˇ c izvedljiva in obetavna tehnologija za globalno varno ko- munikacijo. EU s projektom Connecting Europe Facility in satelitom Eagle-1 zdaj vstopa v fazo razvoja lastnega kvantnega komunikacijskega omrežja. Za namene vzpostavitve varnih komunikacijskih po- vezav na velikih razdaljah se bodo tudi v bodoˇ ce upo- rabljale satelitske komunikacije. Priˇ cakujemo lahko, da bo veˇ cina satelitov za globalno razdeljevanje kvantnih kljuˇ cev v LEO [36]. Pozicionirani na višinah od 500 do 2000 kilometrov prinašajo številne prednosti v pri- merjavi z zemeljskimi sistemi QKD, predvsem z vidika izgube fotonov in pokritosti. Konstelacija LEO bi lahko zagotavljala globalne storitve QKD tako, da bi delovala kot varna relejna vozlišˇ ca. Njihova glavna prednost je nizka tirnica, ki odstrani potrebo po zemeljskih varnih relejnih postajah in s tem globalizira komunikacijo. V nasprotju s sistemi QKD, ki temeljijo na optiˇ cnih vlaknih, lahko satelitski sistem deluje na razdalji veˇ c tisoˇ c kilometrov, ne da bi potrebovali kvantne repetitorje, ker je izguba signala manjša [37]. Pri povezovanju iz satelita na Zemljo pa je velik izziv ozraˇ cje, ki ga prepotuje kubit na poti iz vesolja na Ze- mljo [38]. Spremembe temperature in tlaka povzroˇ cajo spremembe gostote in s tem spremembo faze. Prav tako turbulenca v ozraˇ cju povzroˇ ca rotacijo in depolarizacijo fotonov, zaradi ˇ cesar je težko meriti stanja polariza- cije na sprejemniku. Rešitev za to težavo je uporaba adaptivne optike (angl. Adaptive optics) za popravljanje popaˇ cenj valovne fronte in kvantnega sledenja stanju. DV-QKD ima tudi omejeno podatkovno hitrost kljuˇ cev (angl. key rate – KR), ki se moˇ cno zmanjšuje z razdaljo, zlasti v FSOC, ki so tudi zelo obˇ cutljivi za izgube kanala. Sateliti služijo kot zaupanja vredna porazdeljena vo- zlišˇ ca, ki omogoˇ cajo varno porazdelitev kljuˇ cev med zemeljskimi in drugimi sateliti. Satelitski QKD se upo- rablja skupaj z zemeljskim QKD v optiˇ cni infrastrukturi. Gre pravzaprav za hibridni sistem, ki zagotavlja varnost na celotni povezavi. Ideja je, da bi bila veˇ csatelitska omrežja zasnovana tako, da bi zagotovila neprekinjeno vidljivost vsake zemeljske postaje z vsaj enim satelitom. Da bi dosegli neprekinjeno storitev, morajo sateliti v omrežju vzpostaviti neposredne medsebojne povezave. Medsatelitski FSOC zagotavlja hitre izmenjave podatkov z nizko zakasnitvijo [39]. Minimalna degradacija signala je pomembna znaˇ cilnost tega sistema, ki ni posledica motenj v ozraˇ cju. Te povezave omogoˇ cajo tudi razširitev konstelacije, kar omogoˇ ca dodajanje novih satelitov brez motenj v sistemu in zmanjšanja zmogljivosti. Glavne naloge medsatelitske FSOC so: kvantni kljuˇ cni releji, porazdelitev prepletenosti in kontinuiteta storitev. Nekateri izzivi v teh sistemih se nanašajo na dode- ljevanje virov. Omejitve vidnosti se pojavijo, ker imajo sateliti omejena ˇ casovna okna za komunikacijo, zato je za ˇ cim veˇ cje ustvarjanje kljuˇ cev zahtevano natanˇ cno naˇ crtovanje. Prav tako mora biti strojna oprema opti- mizirana tako„ da se zagotovi ustrezna moˇ c signala. Ena izmed rešitev bi lahko bilo dinamiˇ cno razporejanje, kjer bi bile zemeljske postaje prednostno razvršˇ cene glede na vreme in kakovost povezave [40]. Izravnavanje obremenitve bi bilo tudi rešitev za prepreˇ cevanje preo- bremenitve posameznih vozlišˇ c. 5.1 Izzivi satelitskih kvantnih komunikacijskih omrežij Uˇ cinki ozraˇ cja so velik izziv pri satelitski FSOC in QKD. Spremenljivost pogojev v ozraˇ cju lahko znatno poslabša prenos kvantnih stanj. Kljuˇ cna izziva sta turbu- lenca in širjenje žarka, saj povzroˇ cata zmanjšanje števila fotonov, ki dosežejo sprejemnik. Ti uˇ cinki so obˇ cutno bolj oˇ citni v kanalih navzgornje povezave, ker morajo signali potovati skozi gostejši del ozraˇ cja. Vremenske 58 RADAKOVI ´ C, ERŽEN, UL ˇ CAKAR, RAMŠAK, BATAGELJ, KALTENBAEK, LA VRI ˇ C razmere, kot so megla, dež, oblaki, turbulence v ozraˇ cju in sonˇ cna svetloba, povzroˇ cajo sipanje in absorpcijo, kar se odraža v nihanju prepustnosti komunikacijskega kanala. Ukrepi, ki bi jih lahko sprejeli, da bi se izognili tem težavam, bi bila uporaba prilagodljive optike (angl. adaptive optics) za popravljanje popaˇ cenj v realnem ˇ casu, skupaj z naprednimi modulacijskimi shemami in odpravljanjem napak, ter naˇ crtovanje komunikacijskih operacij med ugodnimi vremenskimi okni, da bi zmanj- šali izgube [18], [41]. Za izvedbo se potrebuje dva žarka: enega za prenos QKD, drugega za prilagodljivo optiko. Pri uporabi FSOC za QKD nastaja razlika med uporabo ob dnevni svetlobi ali ponoˇ ci. Za ublažitev vplivov na kanal in odpravo šuma se uporablja pametno filtriranje (angl. smart filtering) [42]. Eden od naˇ cinov za premagovanje težav s satelitsko komunikacijo podnevi in izgub zaradi turbulenc v ozraˇ cju je uporaba široke palete tehnologij, kot so filtriranje dnevne svetlobe, uporaba robustnega optiˇ cnega vira velike hitrosti in ekstrakcija kljuˇ cev v realnem ˇ casu na osnovi laserske komunikacije. Z uporabo teh tehnologij je bil izveden QKD, ki je pokrival vseh 24 ur dneva v 20-kilometski zemeljskei FSOC s povpreˇ cno hitrostjo kljuˇ cev približno 495 bit/s [11]. Dekoherenca kvantnega stanja je drugo kritiˇ cno vpra- šanje, ki se pojavi med prenosom kvantnih stanj skozi prosti prostor ali optiˇ cna vlakna, zlasti na velike razdalje. Turbulenca v ozraˇ cju lahko popaˇ ci lastnosti polarizacije in prepletenosti kvantnih stanj, prenosi na dolge razdalje pa poveˇ cajo izgubo fotonov, kar zmanjša natanˇ cnost kvantnih stanj. Rešitev bi bila uporaba visokokakovo- stnih kvantnih virov z veliko svetlostjo in nizkim šumom za izboljšanje razmerja med signalom in šumom (angl. Signal-to-noise ratio – SNR). Druga težava je shranjevanje kubitov v kvantnem pomnilniku, saj so izzivi ravnanje s kubiti, izdelanimi iz razliˇ cnih materialov, sinhronizacija vzpostavitve preple- tenosti med segmenti omrežja in razširitev zmogljivosti shranjevanja za sprejem veˇ c kubitov. Mogoˇ ce rešitve so oblikovanje pomnilniških sistemov, ki so sposobni shranjevati kubite iz razliˇ cnih materialov, razvoj pomnil- niških enot z veliko ˇ casovno natanˇ cnostjo in splošno poveˇ canje uˇ cinkovitosti pomnilnika. Poseben poudarek v prihodnjem razvoju bo na izvedbi distribucije vesoljskih fotonov prek podaljška zemeljskih vlakenskih zvez brez uporabe zaupanja vrednega vozlišˇ ca na mestu zemelj- skega teleskopa, s ˇ cimer se odprejo vrata za konvergenco vesoljske in zemeljske QKD [43], [44], [45]. Težave se pojavljajo tudi pri uporabi obstojeˇ cih proto- kolov, kot sta BB84 in B92, ki podpirata varno razdelje- vanje kljuˇ cev, vendar se sooˇ cata s tehniˇ cnimi težavami, kot so: pretvorba brez izgub med kvantnimi in optiˇ cnimi signali, visoke ravni šuma in neustrezno obravnavanje izgube paketov. Mogoˇ ce rešitve so napredna zasnova protokola, hibridni nosilci signala in napredne tehnike zmanjševanja šuma. Težave se pojavljajo tudi pri prilagajanju omrežij za globalno komunikacijo. Izzivi vkljuˇ cujejo omejeno razširljivost in neuˇ cinkovito povezavo med relejnimi mo- duli. Mogoˇ ce rešitve so napredna relejna infrastruktura, ki temelji na kvantnih repetitorjih z visoko zmogljivimi zmožnostmi razdeljevanja prepletenosti, in veˇ cslojna omrežja, ki združujejo razliˇ cne satelite, brezpilotna le- tala in zemeljske postaje za razširitev pokritosti [46]. 6 ZAKLJU ˇ CEK Projekt CEF, ki ga je EU razpisala leta 2025, je na- menjen razvoju prvega evropskega satelitskega omrežja QKD. Cilj tega projekta je okrepiti varnost komuni- kacijskih sistemov v EU in poveˇ cati suverenosti na podroˇ cju varne komunikacije. Z uporabo lastne satelit- ske infrastrukture QKD bo EU zmanjšala odvisnost od tretjih držav in okrepila kibernetsko varnost kritiˇ cne in- frastrukture, finanˇ cnih institucij in vladnih komunikacij. Gre za namenski evropski satelit Eagle-1, ki bo nosil napravo za izvajanje QKD s pomoˇ cjo katere si bodo države ˇ clanice EU, ki sodelujejo v projektu, izmenjevale kvantne kljuˇ ce. Vsekakor pa bo nadaljnji napredek na podroˇ cju adap- tivne optike in sistemov za sledenje kljuˇ cen za izbolj- šanje stabilnosti kvantnih satelitskih povezav. Kvantni repetitorji nove generacije, ki omogoˇ cajo ohranjanje kvantnega stanja, bodo igrali pomembno vlogo pri razši- ritvi dosega povezav. Kvantni pomnilniki, ki bodo lahko shranjevali kubite iz razliˇ cnih materialov in omogoˇ cali sinhronizacijo med segmenti, so še ena kljuˇ cna tehnolo- gija, ki bo izboljšala delovanje kvantnih omrežij. V prihodnosti bo prav razvoj hibridnih omrežnih arhitektur, ki vkljuˇ cujejo satelite v nizki, srednji in geostacionarni orbiti, pomemben korak k vzpostavitvi globalnega kvantnega interneta. Ta internet bo zagota- vljal varno komunikacijo na mednarodni ravni z upo- rabo satelitov, dronov in zemeljskih postaj ter omogoˇ cil izmenjavo podatkov brez tveganja kibernetskih napadov. Kvantne komunikacije med sateliti prek FSO so kljuˇ cni korak k vzpostavitvi robustnega, globalnega kvantnega omrežja, ki bo temeljilo na varnosti, odpornosti in zane- sljivosti. S stalnimi izboljšavami pri natanˇ cnosti detek- cije, zmanjšanju šuma in razvoju naprednih protokolov se bližamo prihodnosti, kjer bo kvantna komunikacija omogoˇ cala popolnoma varen prenos informacij po vsem svetu. ZAHVALA Sredstva za izvedbo je zagotovila Javna agencija za znanstvenoraziskovalno in inovacijsko dejavnost Repu- blike Slovenije na internem interdisciplinarnem projektu Univerze v Ljubljani: Kvantne tehnologije za transport in komunikacije v 21. stoletju (KTTK21) s pogodbo št. SN-ZRD/22-27/0510. L. Ulˇ cakar, R. Kaltenbaek in A. Ramšak so bili finan- cirani s strani Republike Slovenije (MVZI) in Evropske PRILOŽNOSTI IN IZZIVI KV ANTNIH SATELITSKIH KOMUNIKACIJ 59 unije – NextGenerationEU (SiQUID-101091560). LITERATURA [1] A. Umek, “Varne komunikacije: študijsko gradivo 2011/2012,” 2011. [Online]. Available: http://www.lkn.fe.uni- lj.si/gradiva/VarKom/Varne_komunikacije.pdf [2] J. Tratnik and B. Batagelj, “Predstavitev ideje kvantnega šifrira- nja in pregled osnovnih tehnik kvantnega razdeljevanja kljuˇ ca,” Elektrotehniški vestnik, vol. 75, no. 5, pp. 257–263, 2008. [3] A. Ramšak, Kvantna mehanika. Založba Univerze, 2023. [4] Z. Ghassemlooy et al., “Final White Paper, NEWFOCUS CA19111 COST Action: European network on future generation optical wireless communication technologies,” COST (European Cooperation in Science and Technology) Action CA19111 NEWFOCUS, Tech. Rep., Jun. 2024. [Online]. Available: https://hal.science/hal-04671609 [5] A. K. Garg, V . Janyani, B. Batagelj, N. Zainol Abidin, and M. Abu Bakar, “Hybrid FSO/fiber optic link based reliable & energy efficient WDM optical network architecture,” Optical Fiber Technology, vol. 61, p. 102422, 2021. [6] Ž. Andrejc and B. Batagelj, “Vrednotenje tehniˇ cnih lastnosti komunikacijskega omrežja majhnih satelitov starlink,” Elektro- tehniški Vestnik, vol. 88, no. 1–2, pp. 1–7, 2021. [7] J. Yin, Y .-H. Li, S.-K. Liao, M. Yang, Y . Cao, L. Zhang, J.-G. Ren, W.-Q. Cai, W.-Y . Liu, S.-L. Li, R. Shu, Y .-M. Huang, L. Deng, L. Li, Q. Zhang, N.-L. Liu, Y .-A. Chen, C.-Y . Lu, X.-B. Wang, F. Xu, J.-Y . Wang, C.-Z. Peng, A. K. Ekert, and J.-W. Pan, “Entanglement-based secure quantum cryptography over 1, 120 kilometres,” Nature, vol. 582, no. 7813, p. 501–505, Jun. 2020. [Online]. Available: http://dx.doi.org/10.1038/s41586-020-2401-y [8] S.-K. Liao, W.-Q. Cai, W.-Y . Liu, L. Zhang, Y . Li, J.-G. Ren, J. Yin, Q. Shen, Y . Cao, Z.-P. Li, F.-Z. Li, X.-W. Chen, L.-H. Sun, J.-J. Jia, J.-C. Wu, X.-J. Jiang, J.-F. Wang, Y .-M. Huang, Q. Wang, Y .-L. Zhou, L. Deng, T. Xi, L. Ma, T. Hu, Q. Zhang, Y .-A. Chen, N.-L. Liu, X.-B. Wang, Z.-C. Zhu, C.-Y . Lu, R. Shu, C.-Z. Peng, J.-Y . Wang, and J.-W. Pan, “Satellite-to-ground quantum key distribution,” Nature, vol. 549, no. 7670, p. 43–47, Aug. 2017. [Online]. Available: http://dx.doi.org/10.1038/nature23655 [9] S.-K. Liao, W.-Q. Cai, J. Handsteiner, B. Liu, J. Yin, L. Zhang, D. Rauch, M. Fink, J.-G. Ren, W.-Y . Liu, Y . Li, Q. Shen, Y . Cao, F.-Z. Li, J.-F. Wang, Y .-M. Huang, L. Deng, T. Xi, L. Ma, T. Hu, L. Li, N.-L. Liu, F. Koidl, P. Wang, Y .-A. Chen, X.-B. Wang, M. Steindorfer, G. Kirchner, C.-Y . Lu, R. Shu, R. Ursin, T. Scheidl, C.-Z. Peng, J.-Y . Wang, A. Zeilinger, and J.-W. Pan, “Satellite-relayed intercontinental quantum network,” Phys. Rev. Lett., vol. 120, p. 030501, Jan 2018. [Online]. Available: https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.120.030501 [10] Y .-A. Chen, Q. Zhang, T.-Y . Chen, W.-Q. Cai, S.-K. Liao, J. Zhang, K. Chen, J. Yin, J.-G. Ren, Z. Chen, S.-L. Han, Q. Yu, K. Liang, F. Zhou, X. Yuan, M.-S. Zhao, T.-Y . Wang, X. Jiang, L. Zhang, W.-Y . Liu, Y . Li, Q. Shen, Y . Cao, C.-Y . Lu, R. Shu, J.-Y . Wang, L. Li, N.-L. Liu, F. Xu, X.-B. Wang, C.-Z. Peng, and J.-W. Pan, “An integrated space-to-ground quantum communication network over 4, 600 kilometres,” Nature, vol. 589, no. 7841, p. 214–219, Jan. 2021. [Online]. Available: http://dx.doi.org/10.1038/s41586-020-03093-8 [11] W.-Q. Cai, Y . Li, B. Li, J.-G. Ren, S.-K. Liao, Y . Cao, L. Zhang, M. Yang, J.-C. Wu, Y .-H. Li, W.-Y . Liu, J. Yin, C.-Z. Wang, W.-B. Luo, B. Jin, C.-L. Lv, H. Li, L. You, R. Shu, G.-S. Pan, Q. Zhang, N.-L. Liu, X.-B. Wang, J.-Y . Wang, C.-Z. Peng, and J.-W. Pan, “Free-space quantum key distribution during daylight and at night,” Optica, vol. 11, no. 5, p. 647, May 2024. [Online]. Available: http://dx.doi.org/10.1364/OPTICA.511000 [12] S. Bloom, E. Korevaar, J. Schuster, and H. Willebrand, “Under- standing the performance of free-space optics [Invited],” J. Opt. Netw., vol. 2, no. 6, pp. 178–200, Jun 2003. [13] M. Abasifard, C. Cholsuk, R. G. Pousa, A. Kumar, A. Zand, T. Riel, D. K. L. Oi, and T. V ogl, “The ideal wavelength for daylight free-space quantum key distribution,” APL Quantum, vol. 1, no. 1, p. 016113, 03 2024. [14] Z. Ghassemlooy, W. O. Popoola, and S. Rajbhandari, Optical wireless communications: system and channel modelling with Matlab®, Second Edition. CRC Press, 2019. [15] C. H. Bennett and G. Brassard, “Quantum cryptography: Public key distribution and coin tossing,” Theoretical Computer Sci- ence, vol. 560, pp. 7–11, 2014, theoretical Aspects of Quantum Cryptography – celebrating 30 years of BB84. [16] M. Lasota, O. Kovalenko, and V . C. Usenko, “Robustness of entanglement-based discrete- and continuous-variable quantum key distribution against channel noise,” New Journal of Physics, vol. 25, no. 12, p. 123003, dec 2023. [17] A. K. Ekert, “Quantum cryptography based on Bell’s theorem,” Phys. Rev. Lett., vol. 67, pp. 661–663, Aug 1991. [18] M. Aspelmeyer, H. R. Böhm, T. Gyatso, T. Jennewein, R. Kal- tenbaek, M. Lindenthal, G. Molina-Terriza, A. Poppe, K. Resch, M. Taraba, R. Ursin, P. Walther, and A. Zeilinger, “Long- Distance Free-Space Distribution of Quantum Entanglement,” Science, vol. 301, no. 5633, pp. 621–623, 2003. [19] I. Paparelle, F. Mousavi, F. Scazza, M. Paris, A. Bassi, and A. Zavatta, “A continuous-variable quantum secure direct com- munication protocol with squeezed states,” in 2023 Conference on Lasers and Electro-Optics Europe & European Quantum Electronics Conference (CLEO/Europe-EQEC), 2023, pp. 1–1. [20] Y . Zheng, H. Shi, W. Pan, Q. Wang, and J. Mao, “Security Ana- lysis of Continuous-Variable Measurement-Device-Independent Quantum Key Distribution Systems in Complex Communication Environments,” Entropy, vol. 24, no. 1, 2022. [21] Y . Guo, H. Zhang, and Y . Guo, “Practical Security of Continu- ous Variable Measurement- Device-Independent Quantum Key Distribution with Local Local Oscillator,” Mathematics, vol. 12, no. 23, 2024. [22] R. K. Goncharov, A. D. Kiselev, E. O. Samsonov, and V . I. Egorov, “Continuous-variable quantum key distribution: security analysis with trusted hardware noise against general attacks,” Nanosistemi: fizika, kemija, matematika, vol. 13, no. 4, pp. 372– 391, 2022. [23] Y . Zhang, Y . Bian, Z. Li, S. Yu, and H. Guo, “Continuous- variable quantum key distribution system: Past, present, and future,” Applied Physics Reviews, vol. 11, no. 1, p. 011318, 03 2024. [24] A. Manzalini and L. Artusio, “The rise of quantum information and communication technologies,” Quantum Reports, vol. 6, no. 1, pp. 29–40, 2024. [25] R. Van Meter, Quantum networking. John Wiley & Sons, 2014. [26] P. G. Kwiat, K. Mattle, H. Weinfurter, A. Zeilinger, A. V . Sergienko, and Y . Shih, “New high-intensity source of polarization-entangled photon pairs,” Phys. Rev. Lett., vol. 75, pp. 4337–4341, Dec 1995. [Online]. Available: https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.75.4337 [27] X. Li, P. L. V oss, J. E. Sharping, and P. Kumar, “Optical-fiber source of polarization-entangled photons in the 1550 nm telecom band,” Phys. Rev. Lett., vol. 94, p. 053601, Feb 2005. [Online]. Available: https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.94.053601 [28] R. M. Stevenson, R. J. Young, P. Atkinson, K. Cooper, D. A. Ritchie, and A. J. Shields, “A semiconductor source of triggered entangled photon pairs,” Nature, vol. 439, no. 7073, p. 179–182, Jan. 2006. [Online]. Available: http://dx.doi.org/10.1038/nature04446 [29] D. N. Matsukevich and A. Kuzmich, “Quantum state transfer between matter and light,” Science, vol. 306, no. 5696, p. 663–666, Oct. 2004. [Online]. Available: http://dx.doi.org/10.1126/science.1103346 [30] B. B. Blinov, D. L. Moehring, L.-M. Duan, and C. Monroe, “Observation of entanglement between a single trapped atom and a single photon,” Nature, vol. 428, no. 6979, p. 153–157, Mar. 2004. [Online]. Available: http://dx.doi.org/10.1038/nature02377 [31] Y .-C. Liu, D.-J. Guo, R. Yang, C.-W. Sun, J.-C. Duan, Y .-X. Gong, Z. Xie, and S.-N. Zhu, “Narrowband photonic quan- tum entanglement with counterpropagating domain engineering,” Photon. Res., vol. 9, no. 10, pp. 1998–2005, Oct 2021. [32] M. Victora, S. Tserkis, S. Krastanov, A. S. de la Cerda, S. Willis, and P. Narang, “Entanglement purification on quantum networks,” Phys. Rev. Res., vol. 5, p. 033171, Sep 2023. 60 RADAKOVI ´ C, ERŽEN, UL ˇ CAKAR, RAMŠAK, BATAGELJ, KALTENBAEK, LA VRI ˇ C [33] A. Reezwana, T. Islam, J. A. Grieve, C. F. Wildfeuer, and A. Ling, “Generating Quantum Random Numbers on a CubeSat (SpooQy-1),” in 2020 Conference on Lasers and Electro-Optics (CLEO), 2020, pp. 1–3. [34] S. Sivasankaran, C. Liu, M. Mihm, and A. Ling, “A CubeSat platform for space based quantum key distribution,” in 2022 IEEE International Conference on Space Optical Systems and Applications (ICSOS), 2022, pp. 51–56. [35] H. Podmore, I. D’Souza, D. Hudson, T. Jennewin, J. Cain, B. Higgins, C. Midwinter, A. Scott, A. McColgan, D. Caldwell, and S. H. Zheng, “Optical Terminal for Canada’s Quantum Encryption and Science Satellite (QEYSSat),” in 2019 IEEE International Conference on Space Optical Systems and Appli- cations (ICSOS), 2019, pp. 1–5. [36] M. Bakyt, L. L. Spada, K. Moldamurat, Z. Kadirbek, and F. Yermekov, “Review of Data Security Methods using Low- Earth Orbiters for High-Speed Encryption,” in 2024 4th Inter- national Conference on Ubiquitous Computing and Intelligent Information Systems (ICUIS), 2024, pp. 1366–1375. [37] S.-K. Liao, H.-L. Yong, C. Liu, G.-L. Shentu, D.-D. Li, J. Lin, H. Dai, S.-Q. Zhao, B. Li, J.-Y . Guan et al., “Ground test of satellite constellation based quantum communication,” arXiv preprint arXiv:1611.09982, 2016. [38] A. Ntanos, N. K. Lyras, A. Stathis, G. Giannoulis, A. D. Panagopoulos, and H. Avramopoulos, “Satellite-to-ground qkd in urban environment: A comparative analysis of small-sized optical ground stations,” IEEE Aerospace and Electronic Systems Magazine, vol. 39, no. 6, pp. 16–29, 2024. [39] N. Jothi, S. Krishnan et al., “Design and comparative analysis of Inter SatelliteOptical Wireless Communication (IS-OWC) for Return to Zero (RZ) & Non-Return to Zero (NRZ) modulation formats through channel diversity technique,” Informacije MI- DEM: Journal of Microelectronics, Electronic Components & Materials, vol. 53, no. 1, 2023. [40] V . Vrh, L. Kavˇ ciˇ c, J. V . M. Peer, M. Zeme, J. L. Verˇ cek, N. Flogie, L. Mlakar, A. Pavliha, G. Blatnik, M. Jankovec et al., “Trajnostni pristopi k satelitskemu teleportu,” Elektrotehniški vestnik, vol. 91, no. 3, pp. 138–142, 2024. [41] G. G. Rozenman, N. K. Kundu, R. Liu, L. Zhang, A. Maslen- nikov, Y . Reches, and H. Y . Youm, “The quantum internet: A synergy of quantum information technologies and 6G networks,” IET Quantum Communication, vol. 4, no. 4, pp. 147–166, 2023. [42] H. Ko, K.-J. Kim, J.-S. Choe, B.-S. Choi, J.-H. Kim, Y . Baek, and C. J. Youn, “Experimental filtering effect on the daylight operation of a free-space quantum key distribution,” Scientific Reports, vol. 8, no. 1, 2018. [43] A. Stathis, A. Ntanos, N. K. Lyras, G. Giannoulis, A. D. Panagopoulos, and H. Avramopoulos, “Toward Converged Sa- tellite/Fiber 1550 nm DS-BB84 QKD Networks: Feasibility Analysis and System Requirements,” Photonics, vol. 11, no. 7, 2024. [44] ——, “Converged Satellite to Fiber QKD Links: A Feasibility Analysis,” in 2024 14th International Symposium on Com- munication Systems, Networks and Digital Signal Processing (CSNDSP), 2024, pp. 500–505. [45] G. Giannoulis, A. Stathis, A. Ntanos, N. K. Lyras, I. Pa- pastamatiou, P. Kourelias, O. Prnjat, K. Koumantaros, A. D. Panagopoulos, and H. Avramopoulos, “Satellite-to-ground QKD Feasibility Analysis for High Altitude Rural Areas: A Case Study in Greece,” in 2024 International Workshop on Fiber Optics in Access Networks (FOAN), 2024, pp. 38–42. [46] P. Zhang, N. Chen, S. Shen, S. Yu, S. Wu, and N. Kumar, “Future Quantum Communications and Networking: A Review and Vision,” IEEE Wireless Communications, vol. 31, no. 1, pp. 141–148, 2024. Katarina Radakovi´ c je študentka 2. letnika magistrskega študijskega programa 2. stopnje elektrotehnika na smeri Informacijsko komuni- kacijske tehnologije (IKT) na Fakulteti za elektrotehniko Univerze v Ljubljani. Zanima jo delo, povezano z novimi in inovativnimi izzivi informacijsko-komunikacijskih tehnologij. Vesna Eržen je diplomirala leta 2012 na Fakulteti za elektrotehniko Univerze v Ljubljani. Zaposlena je kot uˇ citeljica strokovnih predmetov na srednji šoli za strojništvo in kot predavateljica s podroˇ cja avtoma- tizacije in robotike na višji strokovni šoli v okviru ŠC Škofja Loka. Njena raziskovalna zanimanja vkljuˇ cujejo kvantne fizikalne pojave v optiki, pasivne optiˇ cne sisteme in spremljanje razvoja na podroˇ cju optiˇ cnih komunikacij. Lara Ulˇ cakar je doktorirala leta 2020 na Fakulteti za matematiko in fiziko v Ljubljani na podroˇ cju teoretiˇ cne fizike kondenzirane snovi. Zaposlena je na inštitutu Jožefa Stefana in na Fakulteti za Matematiko in Fiziko Univerze v Ljubljani. Njena raziskovalna podroˇ cja so kvantni materiali in kvantna optika. Na fakulteti uˇ ci Nanofiziko in Klasiˇ cno mehaniko. Prof. dr. Anton Ramšak je leta 1991 doktoriral na Fakulteti za matematiko in fiziko Univerze v Ljubljani, kjer je zaposlen kot redni profesor in je bil tudi tri mandate dekan. Deloval je na Institutu Max Planck, na King’s College, na Imperial College in na University College v Londonu. Ukvarja se s teorijo kvantnih sistemov, in sicer s fizikalnimi lastnostmi kvantnih pik in kvantnih žic, z generiranjem kvantne prepletenosti, z manipulacijo kvantnih bitov in kvantnih faz ter z lastnostmi topoloških izolatorjev. Trenutno vodi projekt SiQUID za vzpostavitev kvantne izmenjave kljuˇ ca. Prof. dr. Boštjan Batagelj je doktoriral leta 2003 na Fakulteti za elektrotehniko Univerze v Ljubljani, kjer je trenutno prodekan za znanstveno-raziskovalno dejavnost in predava predmete s podroˇ cja informacijsko-komunikacijskih tehnologij. Njegova bibliografija ob- sega preko 800 enot, od tega 12 patentov. Aktiven je na številnih raziskovalnih projektih s podroˇ cja optiˇ cnih, radijskih, satelitskih in kvantnih komunikacij ter soustanovitelj dveh zagonskih podjetij. Rainer Kaltenbaek je leta 2008 doktoriral na Fakulteti za fiziko Univerze na Dunaju. Trenutno je izredni profesor na Fakulteti za mate- matiko in fiziko (FMF) Univerze v Ljubljani. Na FMF vodi laboratorij za kvantno optiko in kvantne temelje ter predava predmete s podroˇ cja kvantne optike in fotonike. Je strokovnjak za kvantne komunikacije, optiˇ cno kvantno obdelavo informacij, kvantno optomehaniko, optiˇ cne pasti in testiranje kvantne fizike v vesolju. Andrej Lavriˇ c je doktoriral leta 2025 na Fakulteti za elektrotehniko Univerze v Ljubljani na temo merjena faznega šuma z uporabo tehnik mikrovalovne fotonike. Kot gostujoˇ ci raziskovalec je eno leto preživel na Univerzi Duisburg-Essen v Nemˇ ciji, kjer se je ukvarjal z optiˇ cnimi frekvenˇ cnimi glavniki. Raziskovalno je aktiven na podroˇ cju merjenja faznega šuma, mikorvalovne fotonike in kvantnih tehnologij.