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2024-02-15 08:09:22
新しい研究は衛星ベースの使用を提案しています 単一光子 長距離にわたって情報を安全に送信する手段としての情報源。 この研究は約束するだけではありません ハッキング不可能 コミュニケーションだけでなく、量子力学の基本法則を探求し、 重力における量子効果。
「最も重要な結果は、 この作品 「これは、衛星ベースの量子ネットワーク用のコンパクトな真の単一光子源を使用するユニバーサル量子アーキテクチャです」と、ドイツのフリードリッヒ・シラー大学の量子通信システム工学教授であり、この研究の筆頭著者であるトビアス・フォーグル氏は電子メールで述べた。 「この設計は、私たちの光子源が空間に単一光子を放出する能力を実証すると同時に、量子力学の基本的な仮定をテストすることも可能にします。」
量子力学により安全な通信が可能になる
通信科学の分野では、量子鍵配布は急速に進歩しているフロンティアです。 これにより、盗聴されない方法で 2 者間で暗号化キーを送信できるようになります。
「量子鍵配布の場合、情報をエンコードして、 [quantum states of single photons]」とフォーグル氏は説明した。 「量子物理学の法則によれば、この単一の光子をコピーすることは不可能であり、情報を変更せずに読み出すことも不可能であるため、いかなる盗聴も測定可能になります。」
この暗号化方法が効果的であるためには、情報を運ぶ光子が一度に 1 つずつ放出されることが不可欠です。 同じ状態の複数の光子が同時に放出されると、盗聴者による傍受が気づかれずにセキュリティが損なわれる可能性があります。 しかし、コヒーレント光源とは異なる単一の光子を作成することは、光の基本的な性質と量子力学の制限により、非常に困難な課題となります。
これを実現するために、量子ドットや単一原子などの多くの高度なテクノロジーが使用されています。 しかし、フォーグル氏は、窒化ホウ素として知られる材料を指摘しています。この材料は、その構造に欠陥が存在するために単一光子を放出します。これらは、適切に操作され励起されると、局在量子エミッターとして機能します。
「六方晶窒化ホウ素は窒素とホウ素からなる二次元材料です」とフォーグル氏は述べた。 「元の構造は、（可視の）発光のない普通の絶縁体です。 ただし、欠陥のある構造では、一度に 1 つの光子を放出する可能性があります。 これは、結晶の電子構造に追加のエネルギー準位を導入する欠陥によるもので、電子構造は 1 回しか励起できないため、一度に 1 つの光子しか放出できません。」
人工衛星が救いの手を差し伸べる
しかし、窒化ホウ素のような堅牢な単一光子源があっても、地上のデバイスを使用して単一光子を長距離にわたって送信することは困難です。
「いかなる盗聴者も量子をコピーできないという事実 [photon] 状態は、量子状態をコピーできないことも意味します」と彼は説明した。 「これは、信号が長距離にわたって送信される場合、信号を増幅することができないことを意味しており、これには大きな信号減衰が伴います。 たとえば光ファイバーでは、距離に応じて損失が指数関数的に増加します。」
これを回避するために、フォーグルと彼の研究チームは、単一光子源を衛星に配備することを提案しています。
「高度約10kmを超えると大気は非常に薄くなり、もはや重大な損失はありません」とフォーグル氏は語った。 「したがって、衛星を使用すると、単一光子の状態をはるかに長い距離に送信できます。 最終的な目標は、グローバルな量子インターネットを実現することです。」
チームは現在、将来機能する衛星ベースの量子ネットワークを開発するために必要なハードウェアを検証することを目的とした QUICK3 宇宙ミッションに取り組んでいます。
「QUICK3は、Quantum photonIsChe Komponenten für sichere Kommunikation mit Kleinsatelliten（小型衛星との安全な通信のための量子光コンポーネント）の略です」とフォーグル氏は述べた。 「衛星ベースの量子リンクに必要なハードウェアを開発することを目的としています。 ペイロードは、励起レーザー システム、2D 材料六方晶系窒化ホウ素の蛍光欠陥に基づく単一光子源、量子干渉計、および単一光子検出器で構成されています。」
「すべてのコンポーネントを小型衛星に統合した後、私たちのQUICK3ミッションでは、3U CubeSat（体積約3.5リットルの小型衛星）上の宇宙での機能を評価します。」と彼は続けました。 「QUICK3 ミッションで開発されたハードウェアを搭載した衛星群は、量子インターネットのバックボーンとして使用できる可能性があります。 打ち上げは当初2024年に予定されていましたが、現在は2025年に延期されています。」
QUICK3 ミッションでは貴重なデータが得られると期待されていますが、テスト対象のハードウェアは実際の量子通信にすぐに導入できるわけではありません。 たとえば、単一光子検出器は、実際の量子ネットワークに必要な地上ではなく衛星の内部に設置されます。
衛星ベースの量子通信を実現するには、既存の機器の制限に対処する必要があります。 たとえば、光子源はより強力で指向性が高くなければなりません。
「私たちの使命は主に技術のデモンストレーターとコンポーネントのテストです」とフォーグル氏は説明しました。 「衛星はまだ実際の量子鍵配布リンクを確立できません。 ミッションが成功した後は、当社のコンポーネントを使用して衛星と地上局の間で量子鍵の配布を実証するフォローアップミッションを計画しています。」
「私たちは現在、ミュンヘン工科大学でローカル量子ネットワークを構築していますが、これは基本的にミュンヘン都市圏に限定されています」と彼は付け加えた。 「現在、同様のネットワークが世界中で確立されており、ほんの数例を挙げると、例えばドイツ、シンガポール、中国、米国、カナダ、英国の他の都市でも同様です。 私たちの衛星を使用すると、ローカル ネットワークを他のローカル ネットワークに接続し、量子インターネットに向けたマイルストーンを示すことができます。」
量子力学の基礎を探る
QUICK3 は、安全な通信を促進するだけでなく、宇宙における単一光子の放出、伝播、検出を含むプロセスを地球ベースの条件と比較しながら研究することで、量子力学の基本原理を調査するユニークな機会を提供します。
これらの研究はまた、素粒子と重力場との相互作用が非常に弱いため、これまで研究が困難であった量子重力の謎について重要な洞察を与える可能性がある。
「物理学の聖杯の一つは、重力物理学と量子物理学の組み合わせですが、これまでのところ難しいことが証明されています」とフォーグル氏は結論づけた。 「量子重力理論の試みの中には、私たちの標準的な量子理論の修正を予測するものもあります。 基本的に、これは私たちがテストしているもので、量子干渉計を使用して地上と衛星で双子の実験を行うことによって行われます。 重力場によるカップリングがあるなら、私たちの実験でそれが明らかになるでしょう。」
参考文献: 特に、Ahmadi ら、 QUICK3 – 宇宙での量子通信および拡張物理理論テストのための衛星ベースの量子光源の設計、高度な量子テクノロジー（2024）。 DOI: 10.1002/qute.202300343
フィーチャー画像クレジット: Pixabay の geralt
#衛星ミッションはハッキング不可能な量子通信の舞台を整える