量子インターネットを構築するのにいくつの衛星が必要？

・宇宙ベースの量子インターネットは、量子リピーターの地上ベースのネットワークを大幅に上回ります。

・地球規模の量子インターネットを構築するには、高度1,900マイルに400基以上の衛星を配置する必要があります。

 

量子力学の最も有用なアプリケーションは、量子鍵配送を通じて安全な通信を実行する機能です。 多くの技術者にとって夢である量子インターネットは、量子時計の同期、量子テレポーテーション、分散量子計測とセンシングなど、他の量子情報処理タスクの実行を可能にします。

 

つまり、量子インターネットは、プライベートメッセージや契約から金融取引まで、あらゆるものを保護できます。 また、近々登場する量子コンピュータは既存の暗号化アルゴリズムを解読できるため、この種のセキュリティが必要になります。

 

しかし、世界規模の量子インターネットを構築することは、難しい実験的な課題です。 最近、ルイジアナ州立大学の研究者チームがこれを行うための最も費用効率の高い方法を発表しました。

 

これは、もつれた光子を地面に連続的にブロードキャストできる量子対応衛星のコンステレーションを作成することを含みます。 このようなアプローチを検討する場合、2つの最も基本的な質問が発生します。

 

1）地上ベースの量子リピーター構成よりも優れたグローバルカバレッジを達成するには、いくつの衛星が必要ですか？

2）これらの衛星はどの高度に配置する必要がありますか？

 

最初にいくつかの背景

このようなネットワークの最も重要な特徴は、量子エンタングルメントです。これは、2つの量子粒子が遠く離れていても同じ存在を共有する現象です。 絡み合ったパーティクルは接続されたままで、一方に対して実行されたアクションはもう一方に影響します。

 

科学者は、ほとんどの場合、（同時に作成された）フォトンのペアを使用してエンタングルメントを分散します。 フォトンを別の場所に送信すると、それらのもつれを利用して安全なメッセージを送信できます。

 

ただし、もつれ（フォトンを接続する）は非常に壊れやすく、保存することが困難です。 光子とその環境の間の小さな相互作用でさえ、接続が切断される可能性があります。

 

これは通常、もつれた光子を光ファイバーまたは大気を介して直接伝送するときに発生します。 これらの光子は、ガラスまたは大気中の他の原子と相互作用します。 既存のテクノロジーでは、エンタングルメントは数百マイルしか共有できません。

 

どのように量子インターネットを構築するのですか？

2つのオプションがあります。1つ目は、量子リピーターと呼ばれるデバイスを使用して、到着するとすぐに量子特性を評価し、途中で送信される新しい光子に送信する方法です。 もつれを維持することはできますが、この手法はエラーが発生しやすく、実装に数年かかる場合があります。

 

2番目のオプションは、空間内でもつれた光子のペアを作成し、それらを異なる場所にある2つの地上局にブロードキャストすることです。 ステーションは完全な秘密で情報を交換することができます。

 

中国はすでに宇宙規模で量子実験を行っています。 2016年、長距離にわたる量子光学実験を容易にするためにMiciusという名前の衛星を打ち上げました。

 

このような衛星ベースのシナリオでは、光子は大気圏を通過する最後の13マイルのみをカバーします。 したがって、彼らははるかに遠くまで移動できます（衛星が地平線に近すぎない場合）。

 

研究者によると、衛星の同様のネットワーク（大規模に実装されている場合）は、より効率的なグローバルな量子インターネットを作成します。 情報を安全に送受信するには、2つの地上局が同時に同じ衛星と通信して、両方の局がもつれた光子を衛星から受信する必要があります。

 

リソースの最小化

衛星の建設と打ち上げには数百万ドルの費用がかかります。そのため、カバレッジを犠牲にすることなく、衛星の数をネットワーク内で可能な限り低く保つことが重要です。

研究者たちはそのようなネットワークをモデル化し、考慮すべきいくつかの重要なトレードオフがあることを発見しました。 たとえば、より高い高度に配置された衛星の数が少ないほど、グローバルなカバレッジを提供できますが、光子損失が大きくなる可能性があります。 一方、より低い高度の衛星は地上のステーション間のより短い距離しかカバーできません。

 

研究チームによると、最良の妥協案は、高度1,900マイルを飛行する約400の衛星のネットワークです。 これを展望するために、GPSには12,500マイルの高度で動作する24の衛星があります。

 

ただし、地上の2つのステーション間の最大距離は、4,700マイルに制限されます。 つまり、このようなネットワークは、ニューヨークとロンドン（3,459マイル離れた）の間の安全な通信をサポートできますが、ヒューストンとロンドン（4,846マイル離れた）の間はサポートできません。

 

この大きな欠点にもかかわらず、宇宙ベースの量子インターネットは、量子リピーターの地上ベースのネットワークよりも実質的に優れています（120マイルごとに1つのリピーターを設置する必要があります）。

 

宇宙ベースの量子通信プラットフォームと地上ベースの量子中継器とのインターフェースをとるハイブリッドネットワークは、このビジョンを現実にすることができます。