Recent experimental breakthroughs in satellite quantum communications have opened up the possibility of creating a global quantum internet using satellite links. This approach appears to be particularly viable in the near term, due to the lower attenuation of optical signals from satellite to ground, and due to the currently short coherence times of quantum memories. The latter prevents ground-based entanglement distribution using atmospheric or optical-fiber links at high rates over long distances. In this work, we propose a global-scale quantum internet consisting of a constellation of orbiting satellites that provides a continuous, on-demand entanglement distribution service to ground stations. The satellites can also function as untrusted nodes for the purpose of long-distance quantum-key distribution. We develop a technique for determining optimal satellite configurations with continuous coverage that balances both the total number of satellites and entanglement-distribution rates. Using this technique, we determine various optimal satellite configurations for a polar-orbit constellation, and we analyze the resulting satellite-to-ground loss and achievable entanglement-distribution rates for multiple ground station configurations. We also provide a comparison between these entanglement-distribution rates and the rates of ground-based quantum repeater schemes. Overall, our work provides the theoretical tools and the experimental guidance needed to make a satellite-based global quantum internet a reality.

卫星量子通信方面的最新实验性突破开辟了使用卫星链路创建全球量子互联网的可能性。由于从卫星到地面的光信号的衰减较小，并且由于目前量子存储器的相干时间较短，因此这种方法在短期内似乎特别可行。后者防止了使用大气或光纤链路以高速率长距离传输的基于地面的纠缠分布。在这项工作中，我们提出了一个由轨道卫星组成的全球规模的量子互联网，该卫星可以为地面站提供连续的按需纠缠分发服务。出于远程量子密钥分发的目的，卫星也可以用作不受信任的节点。我们开发了一种用于确定具有连续覆盖范围的最佳卫星配置的技术，该技术可以平衡卫星总数和纠缠分布速率。使用这项技术，我们可以确定极轨星座的各种最佳卫星配置，然后分析多种地面站配置所产生的卫星对地面损耗和可达到的纠缠分布速率。我们还提供了这些纠缠分布速率与基于地面的量子转发器方案的速率之间的比较。总体而言，我们的工作提供了使基于卫星的全球量子互联网成为现实所需的理论工具和实验指导。使用这项技术，我们可以确定极轨星座的各种最佳卫星配置，然后分析多种地面站配置所导致的卫星对地面损耗和可达到的纠缠分布速率。我们还提供了这些纠缠分布速率与基于地面的量子转发器方案的速率之间的比较。总体而言，我们的工作提供了使基于卫星的全球量子互联网成为现实所需的理论工具和实验指导。使用这项技术，我们可以确定极轨星座的各种最佳卫星配置，然后分析多种地面站配置所导致的卫星对地面损耗和可达到的纠缠分布速率。我们还提供了这些纠缠分布速率与基于地面的量子转发器方案的速率之间的比较。总体而言，我们的工作提供了使基于卫星的全球量子互联网成为现实所需的理论工具和实验指导。我们还提供了这些纠缠分布速率与基于地面的量子转发器方案的速率之间的比较。总体而言，我们的工作提供了使基于卫星的全球量子互联网成为现实所需的理论工具和实验指导。我们还提供了这些纠缠分布速率与基于地面的量子转发器方案的速率之间的比较。总体而言，我们的工作提供了使基于卫星的全球量子互联网成为现实所需的理论工具和实验指导。