量子インターネットを構築するために必要な衛星の数は？

• 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。
• 世界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個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。

これは、量子インターネットがプライベートメッセージや契約から金融取引まですべてを保護できることを意味します。また、今後の量子コンピューターは既存の暗号化アルゴリズムを解読できるようになるため、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、実験的に難しい課題です。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果の高い方法を提示しました。

これには、絡み合った光子を継続的に地上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が含まれます。このようなアプローチを検討する際に生じる最も基本的な2つの質問は、次のとおりです。

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、量子もつれです。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。絡み合った粒子は接続されたままであり、一方に対して実行されたアクションは他方に影響を与えます。

科学者は主に、エンタングルメントを分散するために（同時に作成された）フォトンのペアを使用します。フォトンをさまざまな場所に送信する場合、それらのエンタングルメントを利用して安全なメッセージを送信できます。

ただし、エンタングルメント（フォトンを接続する）は非常に壊れやすく、保存が困難です。光子とその環境の間のわずかな相互作用でさえ、接続を切断する可能性があります。

これは通常、絡み合った光子を光ファイバーまたは大気を介して直接送信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。

では、量子インターネットを構築するにはどうすればよいですか？

2つのオプションがあります。1つは、量子リピーターと呼ばれるデバイスを使用して、量子特性が到着するとすぐに評価し、途中で送信される新しい光子に送信する方法です。エンタングルメント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番目のオプションでは、宇宙に絡み合っ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します。ステーションは完全な秘密で情報を交換できるようになります。

中国はすでに宇宙規模で量子実験を行っています。 2016年に、彼らは長距離での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マイルしかカバーしません。したがって、彼らははるかに遠くまで移動することができます（衛星が地平線に近すぎない場合）。

参照：arXiv：1912.06678

研究者によると、同様の衛星ネットワーク（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つの地上ステーションが同時に同じ衛星と通信して、両方のステーションが衛星から絡み合った光子を受信できるようにする必要があります。

リソースの最小化

衛星の構築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、カバレッジを損なうことなく、ネットワーク内の衛星の数をできるだけ少なくすることが重要です。

研究者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を減らすと、グローバルなカバレッジを提供できますが、光子の損失が大きくなる可能性があります。一方、低高度の衛星は、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、最善の妥協案は、高度1,900マイルで飛行する約400個の衛星のネットワークです。これを概観すると、GPSには高度12,500マイルで動作する24個の衛星があります。

ただし、2つの地上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マイル離れている）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マイル離れている）間の安全な通信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、地上ベースの量子リピーターネットワーク（120マイルごとに1つのリピーターを設置する必要がある）よりも大幅に優れています。

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