中国は、地球周回中高軌道の量子衛星を近く打ち上げ予定で、主張するリードを10年に延長。
Jeff Pao
Asia Times
June 3, 2023
火曜日、中国が神舟16号と天宮3号宇宙ステーションのドッキングに成功したと発表したとき、国営メディアは、3人の中国人宇宙飛行士が「新しい量子現象」を研究する機会を得られると伝えた。
しかし、それ以上の詳細は明らかにされていない。量子現象は、中国の宇宙開発の真の理解者たちが最も真剣に関心を寄せているものであるため、この発表には不満が残る。
幸いなことに、オープンソースの情報は十分にあり、4年前とは打って変わって、中国は現在、宇宙ステーションの代わりに特殊な衛星を使って主な量子実験を実施しているという事実から、進捗状況を報告することができるのである。
同国の既存の量子実験室「Micius」衛星は、2016年8月に低軌道（海抜500キロメートル）に打ち上げられて以来、すでに一連の科学的成果を上げていると評価されている。
次にMiciusは、ロシア、イタリア、スウェーデン、南アフリカといった他国と大陸間実験を行う予定である。
中国は昨年7月、低軌道の量子衛星「済南1号」の打ち上げに成功した。今後数年間で、地球周回軌道の中・高軌道の衛星と、低軌道の小型衛星を数機打ち上げる予定だ。
これらの実験がすべて成功すれば、中国は暗号化技術である量子鍵伝送（QKD）によるハッキング不可能なデータ伝送を実現し、銀行や政府の顧客に関連サービスを提供することができる。
中国科学技術大学の物理学教授である潘建偉氏は、5月10日にマカオで開催されたBEYOND Expo 2023のオープニングスピーチで、「我々は現在、初の中・高軌道量子衛星を開発しており、2026年頃の打ち上げを予定している」と述べた。
「量子鍵伝送のテストとは別に、量子衛星は量子精密測定（または量子時計）の新しいプラットフォームとなる。これによって、1万キロメートル以上の距離での量子もつれ分布が実現できる。」と潘氏は述べた。
量子もつれとは、2つの光子が非常に離れていても、互いにリンクして同じ偏光状態を持つことができることを説明する現象である。片方の状態を変化させると、もう片方も変化する。このような現象は、データ通信の暗号化に応用することが可能だ。
このような暗号は、量子力学の基礎に依存しているため、解読不可能である。銀行や政府がデータ伝送を保護するために使用する従来の公開鍵暗号は、数学関数に依存しており、スーパーコンピューターや量子コンピューターで解読することができる。
平たく言えば
量子もつれ分布は、2つの光子をその状態を維持したまま2か所に送ることである。
量子鍵伝送とは、データ伝送路に光子を送るが、ハッキングが起きていないことを確認するために別の光子を保持することである。
量子テレポーテーションとは、光子の状態に関する情報を送信すること。
理論から現実へ
量子もつれの理論は、1933年にノーベル物理学賞を受賞したオーストリアの物理学者エルヴィン・シュレーディンガーが初めて提唱した。1984年、エンジニアのチャールズ・ベネットとジル・ブラッサールが、1,550ナノメートルのレーザー光源を用いて偏光光パルスを放出するBB84という最初のQKDプロトコルを発明した。
1998年、オーストリアの物理学者アントン・ザイリンガーは、量子テレポーテーションに成功した。このテレポーテーションは、多くの量子情報プロトコルに不可欠な概念であり、量子コンピュータのゲートを構築するための重要なメカニズムである。
ザイリンガーは、アメリカの物理学者ジョン・クラウザー、フランスの物理学者アラン・アスペクトとともに、昨年のノーベル物理学賞を受賞している。1999年にオーストリアのウィーン大学で博士号を取得した潘氏の指導教官であった。
2001年、潘は中国に帰国した。2009年、彼のチームは16km以上の距離で量子テレポーテーションを行い、当時の世界記録となった。2016年、潘は中国の量子科学実験衛星プロジェクトを率いて、Micius衛星を打ち上げる。2017年、この衛星はBB84レーザーを使って地上に信号を送り、一連の量子実験を完了させた。
「グローバルな量子通信を実現するためには、量子衛星が直面している現在の困難を克服する必要がある。低軌道衛星1機で全世界をカバーすることはできない。また、現在の衛星は夜間の晴天時にしか信号を送ることができない。」と潘は述べている。
彼は、より多くの衛星を低軌道に打ち上げて地上の広い範囲をカバーし、より大きな衛星を中高軌道に打ち上げてそれらをつなぐことで問題を解決できるとしている。
ちなみに、イーロン・マスクのスターリンク衛星は現在、海抜550キロメートルの低軌道で運用されている。中軌道とは、GPS衛星や中国の北斗衛星が運用されている海抜2万キロメートルの高さを指す。高軌道または静止軌道は海抜約36,000kmで、通信やテレビの信号を送る従来の衛星に適している。
天宮2号の退役
量子鍵伝送衛星ネットワークを構築するという潘のアイデアは、2016年9月に中国の宇宙ステーション「天宮2号」が低軌道に打ち上げられたときに実現した。宇宙ステーションは2018年から2019年にかけて量子鍵信号を地上に送り、Micius衛星と連携した。
しかし、2019年7月に天宮2号が地球に制御された再突入を行い、南太平洋上で燃え尽きたため、実験は終了した。中国は当初、2022年に天宮2号と天宮3号を合体させる予定だった。
天宮2号がどのような量子実験を行ったかについての詳細は、昨年8月まで公表されていなかった。
「Micius衛星は出発点に過ぎない。現実的な観点からは、世界中の量子通信網をカバーするために、低軌道、中軌道、高軌道の衛星のネットワークを構築する必要がある」と中国科学院の王建宇氏は昨年8月、公開されたインタビューで述べている。
「現在、この分野では、他のグローバルプレイヤーより少なくとも5年は進んでいる。中高度量子衛星の打ち上げに成功すれば、少なくとも10年は世界をリードすることになる」と王氏は述べた。
中国科学技術大学（USTC）の廖胜凯教授によると、济南1号は23kgの量子鍵エミッターで総重量98kg、Micius衛星は80kgの量子鍵エミッターで640kgである。同氏は、サイズの縮小は研究コストを大幅に下げるのに役立つと述べている。
中国が宇宙での量子化に多くの費用を投じている一方で、欧米企業は地上に留まることを好んでいる。いつか量子鍵がファイバーで伝送できるようになれば、衛星による伝送は比較的に不経済であることがわかり、中国はビジネス面で賭けに負けることになると考えているのだ。
2021年6月、イギリスの暗号化スタートアップであるArqit Quantum Incは、2023年に2機の量子衛星を打ち上げると発表した。しかし、ウォール・ストリート・ジャーナルの報道は、昨年4月、同社が見通しを誇張した可能性があるとした。
昨年12月、Arqit社は、顧客に暗号化サービスを提供するために自社のクアンタム・クラウドに頼るとして、量子衛星を打ち上げる計画を断念したと述べた。
アリスとボブ
地上では、量子鍵配送は通常、アリスからボブ（量子通信における送信者と受信者を表す2人の架空の人物）へ光ファイバーを通して行われる。しかし、伝送距離は信号のロスによって大きく制限される。
5月25日、潘氏と中国の科学者グループは、週刊学術誌「フィジカル・レビュー・レターズ」に掲載された論文で、光ファイバーで1,002kmの地点間長距離量子鍵配送を達成したと発表した。
昨年1月、中国の科学者、郭光灿が率いるチームは、833kmの量子鍵伝送距離を達成し、2021年10月に東芝ケンブリッジ研究所の研究者が達成した605kmという記録を更新した。
2017年9月当時、中国はすでに北京、済南、合肥、上海を結ぶ2,000kmの量子ファイバーネットワークを構築していた。研究者によると、欧州諸国、日本、米国は、銀行や政府の顧客から暗号化サービスに対する需要が高まっていると見て、独自の量子鍵伝送ネットワークを構築し、拡張しているという。
