量子通信を開発するにはなぜ宇宙に行く必要があるのでしょうか?

「物事は秘密によって達成され、漏洩によって台無しになる。」古代の賢王や名臣たちの権力闘争から近代の大国間の駆け引きまで、情報伝達の過程では、常に秘密の漏洩が広く懸念される問題となってきた。

もし通信方法が高速かつ安定的で損失がなかったら、ポンペイウスはファルサルスで敗北せず、馬蘇は街亭を失うことはなかっただろうし、情報伝達の誤りによって引き起こされた歴史上の無数の事件も避けられただろう。

古代人は不幸だったが、現代人は幸運だ。この問題をうまく解決できる可能性のある手段は、雁で手紙を送ることや魚で手紙を送ることではなく、一見神秘的な概念である量子通信です。

6月25日から27日まで、世界インターネット会議ニシャンデジタル文明対話が山東省で開催された。展示会では、2022年に打ち上げられる量子マイクロナノ衛星「済南1号」が大きな注目を集めた。量子通信の応用分野がますます広がるにつれ、量子通信は人類をどのような未来に導くのだろうかという疑問が湧いてきます。量子衛星はここでどのような役割を果たすのでしょうか?

量子通信は盗聴が難しい

量子は量子通信の基本概念の一つとして、近年さまざまなSF作品に頻繁に登場していますが、それを正確に定義することは容易ではありません。

中国科学院量子情報・量子技術革新研究所の教授級上級エンジニアである廖盛凱氏は、量子は現代物理学における重要な概念であり、物理量が最小の分割できない基本単位を持つ場合、この物理量は量子化され、その最小単位が量子と呼ばれると紹介した。

「量子という概念はドイツの物理学者プランクによって提唱され、黒体放射などのエネルギー現象を説明するために初めて使われた」と廖盛凱氏は語った。 「その後の実験で、角運動量、電荷、エネルギーなど他の物理量にも不連続量子化現象があることが示され、ニュートンの古典力学の理論的枠組みを超える量子力学が誕生した。」

廖盛凱氏は、ニュートンの古典力学と比較して、量子力学には不確実性、測定の崩壊、非複製などの特徴があると紹介した。これら3つの特性は量子通信を実現するための理論的基礎にもなっています。

量子通信の研究内容の一つに量子鍵配送があります。 「計算の複雑さに基づく従来の暗号化技術は、原理的に解読される可能性があり、解読の難しさは計算能力の強さにのみ依存します。数学と計算能力の継続的な向上により、古典的な暗号が解読される可能性は日々高まっています。」廖盛凱氏は「従来の通信とは異なり、量子鍵配送の安全性は物理学の基本原理に基づいており、計算の複雑さとは無関係です。量子状態の伝送を通じて、離れた2か所のユーザーが安全な鍵を共有し、その鍵を使用して情報を厳格に暗号化します。これは、盗聴や解読が不可能で、原理的に無条件に安全な唯一の既知の通信方法です」と述べた。

量子通信のもう一つの重要な側面は量子テレポーテーションです。量子テレポーテーションは、量子もつれを利用して、粒子自体を送信せずに、粒子の未知の量子状態を遠隔地に正確に送信します。量子テレポーテーションは、分散型量子情報処理ネットワークや量子コンピュータを構築する上で不可欠な要素です。

衛星による情報伝送

「仕事をうまくやりたかったら、まず道具を研がなければなりません。」無線通信などの従来の通信方法では、基地局などの関連機器のサポートが必要です。量子通信は高度な通信手段であるため、当然ながら多くの高度な機器から切り離すことはできません。量子通信では通常、情報伝送の物理的なキャリアとして単一の光子を使用するため、光ファイバーを直接接続するだけで長距離量子通信のニーズを満たすことができるのだろうかと疑問に思わざるを得ません。

答えは明らかにノーです。損失の問題は光ファイバー方式の核心となっている。 「量子は複製不可の原理なので、単一光子の量子情報は従来の通信のように増幅することができません。伝送距離が長くなると、損失の問題は極めて深刻になります。」廖盛凱氏は、「データ計算によると、1,200キロメートルの光ファイバーでは、毎秒数百億の伝送速度を持つ単一光子源と完璧な検出器を使用しても、1ビットの鍵を送信するのに数百万年かかるため、明らかに完全に非現実的だ」と指摘した。

1,200キロメートルの光ファイバーを製造することは可能かもしれないが、毎秒数百億の放出率を持つ単一光子源と完璧な検出器は、現在の技術やその他の現実的な条件では実現不可能である。さらに、人々は情報を伝達するのに何百万年も待つことはできません。科学者たちは問題を解決するために他の方法を探さざるを得なかった。

地上にはアクセスできないので、空に行くことが選択肢になります。 「宇宙空間はほぼ真空であり、光信号の損失は非常に小さいという事実を利用し、衛星の支援により量子通信の距離を大幅に延長することができる」と廖盛凱氏は述べた。 「さらに、衛星は地球全体を便利にカバーできるという独自の利点があるため、衛星を量子通信に使用することは、地球規模で超長距離の実用的な量子通信を実現する最も有望な方法の1つです。」

廖聖凱氏は、量子衛星は軌道高度によって、低軌道衛星（2,000キロメートル以下）、中軌道衛星（2,000～20,000キロメートル）、高軌道衛星（20,000キロメートル以上）の3種類に分類できると紹介した。 「これらの衛星には、特定の量子通信タスクを実行できる量子通信装置が搭載されているため、量子衛星と呼ばれています」と廖盛凱氏は述べた。

量子衛星は、その重さによって小型衛星（100～500kg）、マイクロ衛星（10～100kg）、ナノ衛星（1～10kg）、ピコ衛星（0.1～1kg）、フェムト衛星（10～100g）に分類されます。 「一般的に言えば、衛星が小さいほど打ち上げコストは低くなり、費用対効果は高くなる」と廖盛凱氏は語った。

廖聖凱氏は、量子衛星の重要な役割は量子通信の距離を延長する中継器として機能し、それによって長距離かつ高難易度の通信を実現することだと指摘した。 「量子通信に使われる地上基地局（つまり信頼できる中継局）は、通常、数十キロごとに設置する必要があり、コストがかかり、維持も困難だ。衛星を使って情報を伝送すれば、すべての問題は解決するだろう」と廖盛凱氏は語った。

期待できる明るい未来

量子衛星は非常に強力ですが、広域量子通信において真にサポート的な役割を果たすには、1 つの量子衛星だけに頼るだけでは明らかに不十分です。衛星ネットワークを形成するには、連携して動作する量子衛星がさらに必要です。

廖盛凱氏は、一般的に言えば、衛星ネットワークを実現するためのソリューションは 2 種類あると紹介しました。 1 つのタイプは、多数の低軌道衛星を利用してリアルタイムのカバレッジ ネットワークを形成します。イリジウムプロジェクト、スターリンクプロジェクトなどがこのカテゴリに属します。 「低軌道衛星が地上局を通過する通信時間は数分程度であることが多いため、数百、あるいは数万の衛星が必要になる」と廖盛凱氏は述べた。

もう一方のタイプは、主に、地上に対して静止している静止軌道衛星などの中軌道および高軌道衛星に依存します。 「静止軌道は高度約3万6000キロで、現在放送・テレビ衛星や従来の通信衛星が周回している軌道だ」と廖盛凱氏は述べた。 「一般的に言えば、3 つの静止軌道衛星で地球全体をカバーできます。」

廖盛凱氏は、一般的に低軌道衛星は軌道が低く、信号が強く、伝送速度は速いが、通過時間が短く、伝送される情報量が少ないと紹介した。高軌道衛星は軌道が高く、信号が弱く、伝送速度が低いが、伝送時間が長く、ほぼ一日中稼働し、大量の情報を送信できる。中軌道衛星は高軌道衛星と低軌道衛星の中間に位置し、両方の特徴を備えています。

「衛星の具体的な形態は、ニーズに応じて選択する必要があります。衛星を使用して構築される量子ネットワークでは、3種類の衛星を総合的に使用する必要があることがよくあります」と廖盛凱氏は述べた。量子衛星のサポートにより、量子通信は大きな進歩を遂げました。しかし、廖盛凱氏の見解では、本当に大規模な応用を実現したいのであれば、政策と技術の両面で引き続き努力する必要がある。

技術的な観点から見ると、量子通信は符号化率の向上、距離の延長、コストの削減の方向にも発展するはずです。 「現在、成熟した量子通信製品の符号化速度はまだ比較的低く、通常は1秒あたり数千ビット（kbps）にしか達しません。大規模なデータレートの暗号化保護を実現するには、対称暗号化アルゴリズムと組み合わせて使用​​する必要があります。一方、成熟した製品のコストは比較的高く、大規模なプロモーションやアプリケーションにはつながりません。」廖盛凱氏が紹介した。

政策的な観点から見ると、暗号技術における鍵配布や鍵交渉の方法として、量子通信が広く使用され、推進されるためには、暗号アプリケーションのコンプライアンスを満たし、業界標準を形成する必要があります。 「10年近くの努力を経て、国内外でいくつかの標準が策定され、発表されたが、大規模なアプリケーションをサポートするには、サポートを強化し、完全なシステムを形成し、評価と認証の機能を向上させる必要がある」と廖盛凱氏は述べた。

いくつかの課題はあるものの、量子通信がもたらす未来は間違いなく非常に望ましいものです。 「将来、すべての人のプライバシーが効果的に保護され、何千マイルも離れた場所でもロスのない通信が容易になることを想像してみてください」と廖盛凱氏は語った。 「量子通信が人類をより良い未来に導くと常に信じています！」