量子通信では単一光子伝送が使用されます。単一光子はどのように捕捉されるのでしょうか?

中国では量子通信が急成長しており、特に潘建偉という科学者はチームを率いて次々と画期的な成果を達成し、世界の最前線に立っています。歓声を上げる人もいれば、反対して嘲笑する人もいた。

これに反対する人々は主に、量子通信はナンセンスであり、単なる概念であり、実現不可能だと主張します。最大の疑問は、単一光子の放出と受信です。光子は世界で最も小さいものだと信じられていますが、それがどれほど小さいかは誰も知りません。人間はどのようにして光子を捕らえ、放出することができるのでしょうか?

しかし、実際には量子通信は単一光子の伝送に依存しており、それが破られない機密性を実現する唯一の方法なのです。しかし、この単一の光子は、一部の人が常識に基づいて想像するような、豆を捕まえるように一つずつ捕まえて、ある種のパチンコ装置を通して発射するものではありません。

量子通信の3つの中核技術は、単一光子源技術、量子符号化および伝送技術、光子検出技術です。最も重要なことは、単一の光子を「キャッチ」して送信することです。これはどのように達成されるのでしょうか?シェアしましょう。

まず、光子とは何かについてお話しましょう。

光子は光量子の略称です。電磁相互作用を伝達する媒体です。ゲージボソンの特性を持つ基本粒子です。光量子の概念は、1905 年にアインシュタインによって初めて提唱され、1926 年にアメリカの物理化学者ギルバート・ルイスによって正式に命名されました。

1901年、ドイツの物理学者プランクは、物質がエネルギーを不連続的に放出および吸収することを発見しました。彼はエネルギーがエネルギー量子によって断片的に放出されるという仮説を提唱し、プランク定数と呼ばれる最小エネルギー定数を計算しました。これは量子力学の先駆的な研究です。

プランクの量子論に触発され、アインシュタインは 1905 年に「光の生成と変換に関する暫定的な見解」と題する論文を発表しました。彼は、光も原子電子と同様に粒子の性質を持つと信じていました。彼は「光量子」理論を提唱し、光電効果を完璧に説明し、光電効果の法則を確立し、1921年にノーベル物理学賞を受賞した。

光子は、すべての素粒子に共通する性質、つまり波動粒子二重性を持っています。それらは波の形で伝播し、不連続に放出されます。光子は生まれるとすぐに真空中で毎秒約30万キロメートルの速度で動き続け、止まることはないので静止質量はないが運動量はある。各光子のエネルギーは、E=hv=hc/λ です。つまり、エネルギー E はプランク定数に周波数を掛けたものに等しくなります。

プランク定数はおよそ6.626*10^-34J/s（ジュール/秒）に等しい。各光子の運動量は p=E/c=h/λ です。これらの式では、λ は波長、c は光速、v は周波数、E はエネルギー、p は運動量を表します。

このことから、さまざまな光子のエネルギーが異なることがわかります。光子の波長が短く、周波数が高いほど、エネルギーは強くなり、逆もまた同様です。光子は宇宙で最も数が多い実体です。昼でも夜でも、私たちは光子に囲まれています。私たちが何気なく手を叩くと、無数の光子が手のひらや手の甲に当たります。

私たち人間は、いわゆる電磁相互作用力である電磁波を通じてのみ世界を体験します。光子は電磁波を伝える媒体であるため、電磁波は光波の総称とも言えます。電磁波は、波長が長いものから短いものまで、電波、赤外線、可視光線、紫外線、X線、ガンマ線に分類されます。

これらの「光波」のうち、人間の目に見えるのは可視光部分だけであり、他の帯域や周波数の「光波」は機器でしか検出できません。電磁波の波長は数キロメートルから10^-30メートル（10億分の1メートル未満）の範囲です。電波（長波、中波、短波、マイクロ波を含む）は、最も長く、最も低い周波数を持ち、最も弱いエネルギーを持っています。ガンマ線は、波長が最も短く、周波数が最も高く、エネルギーが最も強いです。

電磁波の速度は光の速度なので、波長と周波数の関係は、λ=c/v または v=c/λ という式に従います。

光子を「キャッチ」する方法

光子は非常に小さく、数多く存在します。 10ワットの電球は約10J/sのエネルギーを放出します。この 10J のエネルギーがすべて可視光帯域内にある場合、その波長はおよそ 380 ～ 760 nm になります。平均値は570nmとなります。前の式によれば、各光子のエネルギーは約 3.5*10^-19J であると計算できます。 10J の電球は、1 秒あたり約 2.86*10^19 個の光子を放出します。これは 28.6 京個の光子に相当します。

光自体がエネルギーを運ぶため、光通信は古くから一般的な方法となってきました。しかし、いわゆる量子通信と従来の通信の最大の違いはセキュリティです。これは単一光子伝送を使用し、理想的な単一光子源では各パルスに 1 つの光子のみが含まれます。

前述したように、あらゆる光線には無数の光子が含まれています。科学者はどのようにしてこれほど多くの光子を個々の光子に分割し、分配するのでしょうか?これには、単一光子源を作成するための機械が必要です。現代の技術で単一光子源を生成することは難しくありませんが、難しいのは高品質かつ高効率の単一光子源を生成することです。

理論的には、与えられたエネルギーの光パルスを連続的に減衰させることによって、いわゆる単一光子源を得ることができます。たとえば、パルスレーザーでは、各パルスのエネルギーは一定です。特定の帯域または周波数の光子エネルギーがわかれば、各パルスによって放出される光子の数を計算できます。減衰プレートを使用して光線を十分な回数減衰させることで、各パルスに必要な光子数を達成できます。

たとえば、あるパルスレーザー送信機は、もともとパルスごとに 100 万個の光子を放出します。この光線が 1000 万回減衰すると、各パルスから放出される光子の平均数はわずか 0.1 になります。つまり、10 個のパルスのうち 1 個には光子が 1 個含まれ、他の 9 個のパルスには光子が含まれないことになります。このようにして、パルスレーザーは単一光子源になります。

理論的には、この方法により光子の数をさらに 1 億倍、さらには 10 億倍にまで希釈することができます。この方法により、2 つの光子の現象が 100 または 1,000 パルスに 1 回発生する可能性があり、単一光子の取得率が大幅に向上すると思われます。

現在、研究室の単一光子源のほとんどはこの方法を使用しています。しかし、この単一光子源内の光子数はポアソン分布に従うため、厳密に言えば高効率の単一光子パルスを実現することは困難です。このランダムなプロセスは人間の意志に左右されないため、1 つのパルスに 2 つの光子が含まれることがあり、量子通信の制御性とセキュリティが低下します。

減衰倍数が大きいほど、単一の光子を取得できる確率は高くなりますが、光子のない空のパルスが多くなり、効率が大幅に低下します。したがって、この確実な精度向上は効率に反することになります。

したがって、完璧な単一光子源は、決定論的な偏光、高純度、高均質性、高効率を同時に満たす必要があります。これらはほぼ矛盾した厳しい 4 つの条件です。この矛盾を解決することが技術的な難しさです。

その結果、科学者は単一光子源を得るための多くの方法を開発しましたが、その中で量子ドット単一光子源は現在最も先進的な方法です。この方法により、量子ドットは単一の光子ストリームを安定して放出できるようになります。他の単一光子源と比較して、量子ドット単一光子源は、振動子強度が高く、スペクトル線幅が狭く、光退色がありません。

この単一光子源技術は、2001年に米国スタンフォード大学によって開発され、2番目の光子が生成される可能性を大幅に低減します。 2002年、東芝とケンブリッジ大学は協力し、量子ドット構造のLEDを使用して電気的に注入された単一光子放出を実現しました。 2007年、中国科学院半導体研究所は量子ドットの単一光子放出に成功しました。

現在、我が国は量子ドット単一光子放出において世界の最先端に立っています。潘建偉院士率いるUSTCチームは、量子ドット励起子コヒーレンス効果を根本的に排除する点パルス共鳴励起技術を開発しました。この技術を用いることで、従来の1万分の1の励起パワーに比べて、純度99.5%の高品質な単一光子を確実に生成することが可能となります。これは、高品質の単一光子を作成するための国際的に認められたツールです。

一般的な科学として、ここではあまり複雑な専門用語を挙げません。興味のある友人はBaiduで関連情報を検索できます。

量子通信には単一光子の準備に加えて、多くの複雑な技術も含まれている

これらの技術には、単一光子の符号化と伝送の問題、光子の検出と受信の問題などが含まれます。

たとえば、単一光子符号化では、偏光と位相のどちらを使用するか、偏光子と半波長板のどちらを使用するか、さまざまな干渉計、符号化プロセスによって発生する損失をどのように処理するかなどが問題になります。

長距離伝送は光ファイバーで行われますか、それとも空中を介した無線伝送ですか?どれくらい遠くまで送信できますか？中継にはどのような方法が使用されますか?信号はどのように維持または増幅されますか?量子鍵配布と量子テレポーテーションを実現するにはどのような方法が使用されますか?送信中のセキュリティと信号減衰の問題をどのように解決しますか?

受信端末には、1 つの光子を受信したときに敏感に反応できる、正確で効率的な単一光子検出および受信デバイスが必要です。人間の目は 10 個の光子しか感知できないのに対し、カエルの目は 1 個の光子しか見ることができないと言われているので、これはそれほど難しいことではないようです。さらに難しいのは、高ノイズ環境で効率的な通信を実現するために、検出器が適切な波長範囲に応答し、効率的に応答できなければならないことです。

中国はこれらの分野で大きな進歩を遂げた。例えば、中国科学技術大学の郭光燦院士率いるチームはオーストリアのマルクス・フーバー教授と協力し、高ノイズ環境下での高次元量子通信の実現に成功しました。潘建偉氏が率いる科学チームは、世界初の衛星・地上間量子通信ネットワークを構築し、4,600キロメートルに及ぶ衛星・地上間の量子鍵配送を実現した。

2019年、イタリアのパドヴァ大学の研究者らは、2万キロメートルを超える超長距離単一光子交換伝送を達成し、新たな世界記録を樹立した。これにより、マイクロ量子通信を地球規模で実装する実現可能性も確認されました。

上記の紹介から、量子通信は長い間、研究室から社会への応用へと押し進められてきたことがわかります。それでも量子通信は偽物だと主張するなら、それは選択的盲目であり、目を見開いたまま嘘をついていることになります。

ここで付け加えておきたいのは、量子通信は、1984年にアメリカの科学者によって開発されたBB84プロトコル、その後改良されたBBM92、そして2012年に形成されたMDI-QKDプロトコルに基づいているということです。これは、国際的に使用されている量子鍵配布プロトコルです。その主な目的は、量子力学の不確定性原理と量子非複製を利用し、光子の偏光状態を情報キャリアとして使って鍵を伝送し、安全な通信の距離を伸ばすことです。

したがって、量子通信は、量子もつれの超距離および超光伝送の奇妙な効果とは何の関係もありません。もし誰かがこの側面から故意に宣伝し、誤解を招き、量子通信を神秘化すれば、それは疑似科学であると疑われるでしょう。これについてどう思いますか？議論へようこそ。読んでいただきありがとうございます。

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