Quantum key distribution (QKD) uses individual light quanta in quantum superposition states to guarantee unconditional communication security between distant parties. However, the distance over which QKD is achievable has been limited to a few hundred kilometres, owing to the channel loss that occurs when using optical fibres or terrestrial free space that exponentially reduces the photon transmission rate. Satellite-based QKD has the potential to help to establish a global-scale quantum network, owing to the negligible photon loss and decoherence experienced in empty space. Here we report the development and launch of a low-Earth-orbit satellite for implementing decoy-state QKD—a form of QKD that uses weak coherent pulses at high channel loss and is secure because photon-number-splitting eavesdropping can be detected. We achieve a kilohertz key rate from the satellite to the ground over a distance of up to 1,200 kilometres. This key rate is around 20 orders of magnitudes greater than that expected using an optical fibre of the same length. The establishment of a reliable and efficient space-to-ground link for quantum-state transmission paves the way to global-scale quantum networks. Decoy-state quantum key distribution from a satellite to a ground station is achieved with much greater efficiency than is possible over the same distance using optical fibres. The laws of quantum physics give rise to protocols for ultra-secure cryptography and quantum communications. However, to be useful in a global network, these protocols will have to function with satellites. Extending existing protocols to such long distances poses a tremendous experimental challenge. Researchers led by Jian-Wei Pan present a pair of papers in this issue that take steps toward a global quantum network, using the low-Earth-orbit satellite Micius. They demonstrate satellite-to-ground quantum key distribution, an integral part of quantum cryptosystems, at kilohertz rates over 1,200 kilometres, and report quantum teleportation of a single-photon qubit over 1,400 kilometres. Quantum teleportation is the transfer of the exact state of a quantum object from one place to another, without physical travelling of the object itself, and is a central process in many quantum communication protocols. These two experiments suggest that Micius could become the first component in a global quantum internet.

We perform decoy-state quantum key distribution between a low-Earth-orbit satellite and multiple ground stations located in Xinglong, Nanshan, and Graz, which establish satellite-to-ground secure keys with ∼kHz rate per passage of the satellite Micius over a ground station. The satellite thus establishes a secure key between itself and, say, Xinglong, and another key between itself and, say, Graz. Then, upon request from the ground command, Micius acts as a trusted relay. It performs bitwise exclusive or operations between the two keys and relays the result to one of the ground stations. That way, a secret key is created between China and Europe at locations separated by 7600 km on Earth. These keys are then used for intercontinental quantum-secured communication. This was, on the one hand, the transmission of images in a one-time pad configuration from China to Austria as well as from Austria to China. Also, a video conference was performed between the Austrian Academy of Sciences and the Chinese Academy of Sciences, which also included a 280 km optical ground connection between Xinglong and Beijing. Our work clearly confirms the Micius satellite as a robust platform for quantum key distribution with different ground stations on Earth, and points towards an efficient solution for an ultralong-distance global quantum network.Received 6 December 2017DOI:https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.120.030501© 2018 American Physical SocietyPhysics Subject Headings (PhySH)Research AreasQuantum channelsQuantum communicationQuantum cryptographyQuantum networksQuantum opticsQuantum Information, Science & TechnologyAtomic, Molecular & Optical

Long life, on the order of 50,000–100,000 h, is one of the key features of light-emitting diodes (LEDs) that has attracted the lighting community to this technology. White LEDs have yet to demonstrate this capability. The goal of the study described in this manuscript was to understand what affects the long-term performance of white LEDs. Different types of LEDs have different degradation mechanisms. As a starting point, this study considered a commonly available commercial package, the 5 mm epoxy-encapsulated phosphor-converted (YAG:Ce) white LED. Based on past studies, it was hypothesized that junction heat and the amount of short-wavelength emission would influence the degradation rate of 5 mm type white LEDs, mainly due to yellowing of the epoxy encapsulant. Two groups of white LEDs were life-tested. The LEDs in one group had similar junction temperatures but different amplitudes for the short-wavelength radiation, and the LEDs in the second group had similar amplitudes for the short-wavelength radiation but different junction temperatures. Experimental results showed that the degradation rate depends on both the junction temperature and the amplitude of short-wavelength radiation. However, the temperature effect was much greater than the short-wavelength amplitude effect. Furthermore, the phosphor medium surrounding the die behaves like a lambertian scatterer. As a result, some portion of the light circulates between the phosphor layer and the reflector cup, potentially increasing the epoxy-yellowing issue. To validate this theory, a second experiment was conducted with LEDs that had the phosphor layer both close to the die and further away. The results showed that the LEDs with the phosphor layer away from the die degraded at a slower rate.

We report on entanglement-based quantum key distribution between a low-Earth-orbit satellite equipped with a space borne entangled-photon source and a ground observatory. One of the entangled photons is measured locally at the satellite, and the other one is sent via a down link to the receiver in the Delingha ground station. The link attenuation is measured to vary from 29 dB at 530 km to 36 dB at 1000 km. We observe that the two-photon entanglement survives after being distributed between the satellite and the ground, with a measured state fidelity of ≥0.86. We then perform the entanglement-based quantum key distribution protocol and obtain an average final key rate of 3.5 bits/s at the distance range of 530–1000 km.Received 12 September 2017DOI:https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.119.200501© 2017 American Physical SocietyPhysics Subject Headings (PhySH)Research AreasQuantum cryptographyQuantum entanglementGeneral PhysicsQuantum Information

The commonly used feed-forward equalizer (FFE) in an intensity modulation and direct-detection (IMDD) system is seriously restrained by the enhanced in-band noise in the high-frequency region. In this Letter, a low-complexity equalization scheme including FFE, post-filter (PF), and a newly designed interference cancellation (IC) algorithm is proposed to cope with the FFE-enhanced noise and serious inter-symbol interference (ISI) simultaneously. In our experiment, the achieved bit error rate value of 100 Gb/s optical double-sideband (ODSB) four-level pulse amplitude modulation (PAM4) signal transmission over 10 km standard single-mode fiber (SSMF) can go below the 20% overhead soft-decision forward error correction threshold of 2.7 ×  10 − 2  when the FFE is replaced by the proposed equalizer. Even a 100 Gb/s optical single-sideband (OSSB) PAM4 signal can be successfully transmitted over 80 km SSMF. The results show that the proposed F F E + P F + I C algorithm can effectively suppress the FFE-enhanced noise and ISI with a quite low increase in complexity. Moreover, compared to the joint FFE, PF, and maximum likelihood sequence detection (MLSD) algorithm, the proposed F F E + P F + I C algorithm has 1.2 dB and 0.4 dB power penalties after 10 km SSMF in ODSB and 80 km SSMF in OSSB cases, respectively. However, the complexity of this IC algorithm is approximately 3% that of the MLSD.

A novel RF front-end, which could simultaneously realize wideband RF signal self-interference cancellation (SIC), local oscillator (LO) generator based on optoelectronic oscillator (OEO) and frequency down-conversion has been proposed and experimentally demonstrated. In our microwave photonic RF front-end, only one single-polarization optical in-phase and quadrature-phase (IQ) modulator are required. The upper Mach-Zehnder modulator (MZM) of this optical IQ modulator works as a mixer; the lower MZM works as a reference arm; the parent Mach-Zehnder interferometer (MZI) is used to combine two output optical signals of these two child MZMs. In this way, not only self-interference signal is cancelled in optical domain but also frequency down-conversion is realized at the same time. On the other hand, the upper MZM is also shared to form an OEO by using a self-polarization-stabilization technique. By this means, no external LO signal for frequency down-conversion and electrical attenuator for SIC are needed in our scheme, contributing to compact structure and cost reduction. In our proof-of-concept experiment, a LO signal with central frequency of 10 GHz and phase noise of -108.66 dBc/Hz@10kHz is generated. By optimizing the bias points of the used optical IQ modulator, a 5×20MHz 64-ary quadrature amplitude modulation-orthogonal frequency division multiplexing (64QAM-OFDM) LTE-A signal with central frequency of 12.6 GHz is down-converted to 2.6 GHz, and about 28 dB cancellation ratio is achieved. The proposed scheme is suitable for wideband, integrated co-frequency co-time full duplex 5G communication.

Environmental interference and blocked light-emitting diodes (LEDs) often happen in the received signal strength (RSS)-based indoor visible light positioning (VLP) systems, while few solutions to these problems exist. In this paper, we proposed a novel deviation-correction algorithm named memory-artificial neural network (M-ANN) in the 3-dimensional (3D) indoor RSS-VLP system. By memorizing and utilizing the features of signal strength conversion between adjacent test moments, M-ANN can adapt to different test environments in the positioning process. Also, with the help of a designed genetic algorithm (GA) module, M-ANN can efficiently search and retrieve the missing data from an offline simulation database to prevent the VLP outage caused by the blocked LED. The experimental results in a test region of 0.6×0.6×0.8 m3 demonstrate that the proposed M-ANN can significantly mitigate the impact of environmental interference, and it can still maintain relatively high-precision positioning even in the case of blocked LEDs. The average positioning error of 1.04 cm, 2.89 cm, and 3.53 cm is experimentally achieved in the situation of environmental interference, one blocked LED and two blocked LEDs, respectively.

Secure key distribution (SKD) schemes based on the interaction between a broadband chaotic source and the reciprocity of a fiber channel exhibit reliable security and a high key generation rate (KGR). However, under the intensity modulation and direct detection (IM/DD) architecture, these SKD schemes cannot achieve a long distribution distance due to the limitations on the signal-to-noise ratio (SNR) and the receiver’s sensitivity. Here, based on the advantage of the high sensitivity of coherent reception, we design a coherent-SKD structure where orthogonal polarization states are locally modulated by a broadband chaotic signal and the single-frequency local oscillator (LO) light is transmitted bidirectionally in the optical fiber. The proposed structure not only utilizes the polarization reciprocity of optical fiber but also largely eliminates the non-reciprocity factor, which can effectively extend the distribution distance. The experiment realized an error-free SKD with a transmission distance of 50 km and a KGR of 1.85 Gbit/s.

The self-homodyne coherent detection (SHCD) system is becoming more popular in intra-data center applications nowadays. However, for a high-speed SHCD system, the device imperfection such as transmitter (Tx) and receiver (Rx) side in-phase (I)/quadrature-phase (Q) time skew and bandwidth limitation will greatly restrict the transmission performance. The current mainstream calibration methods for traditional optical transceivers rely on the effect of frequency offset and phase noise to separate the Tx and Rx imperfection, which is not compatible with the SHCD system. In this paper, we have proposed and demonstrated a highly precise calibration method that can be applied in dual-polarization (DP) SHCD system. Based on the specially designed multi-tone signals, the amplitude/phase frequency response (AFR/PFR) of the transceiver and the Tx/Rx IQ skew can be obtained by just one measurement even after long-distance fiber transmission. By using a 4 MHz linewidth distributed feedback (DFB) laser, a DP SHCD transmission system combined with a 20 GHz optical transceiver and two 10 km standard single-mode fibers is experimentally constructed. The test results indicate that the measurement error of the AFR/PFR and Tx/Rx skew are within ±1dB/±0.15rad and ±0.3ps respectively, and the dynamic range for IQ skew calibration can reach dozens of picoseconds. The measured bit error rate value of 46GBaud DP-16QAM signals/35GBaud DP-64QAM signals are improved from 2.30e-2 to 2.18e-3/9.59e-2 to 2.20e-2 with the help of the proposed calibration method.