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スチュワート・ウィルス

カナダのカルガリー大学と米国のセントラルフロリダ大学の研究チームは、低損失信号中継用のミラーを備えた地球低軌道上で密に配置された宇宙船が、地球を周回する「衛星レンズ」としてどのように機能するかをモデル化した。地球規模の量子通信ネットワークを可能にします。 [画像: S. ゴスワミ提供]

研究者や産業界は、量子技術によって提供されるセキュリティを活用するグローバル通信ネットワークの可能性にますます注目しています。 しかし、1 つの障害は、従来の長距離ファイバー ネットワークで光信号を維持するものに似た、スケーラブルな「量子中継器」が不足していることです。

代替案として、一部の研究グループは、地球低軌道（LEO）上の宇宙船間のレーザービームに量子情報が乗る衛星ベースの量子通信に注目している。 しかし、衛星計画にも落とし穴があります。 回折レーザー光線での光子の損失と地球自体の曲率により、LEO 衛星間の高効率量子リンクの現実的な距離は 2000 km 未満に制限される可能性があります。

現在、カナダのカルガリー大学の研究者スミット・ゴスワミ氏と米国セントラルフロリダ大学のサヤンディップ・ダーラ氏は、これらの落とし穴をどのように克服できるかを示す提案を発表しました (Phys. Rev. Appl.、doi: 10.1103/PhysRevApplied) .20.024048）。 彼らの提案には、比較的狭い間隔で同期して移動する衛星のチェーン全体で繊細な量子信号を中継することが含まれています。 これらの衛星は「光学テーブル上の一連のレンズのように」効果的に機能し、地球の曲率に沿ってビームを集束させて曲げ、量子中継器を必要とせずに20,000kmもの距離にわたる光子の損失を防ぐことができる、と両氏は示唆している。

ゴスワミとダーラは、彼らが提案する全衛星量子ネットワーク (ASQN) のノードを比喩的に衛星レンズと呼んでいますが、実際には、吸収に関連した光子の損失を絶対最小限に抑えるための光学的な魔法がミラーで起こります。 単純化すると、チェーン内の特定の衛星が、おそらく 120 km 離れた次の衛星に光線を送信します。 その次の衛星は、受信ミラーでビームを捉えて再焦点合わせし、2 つの小さなミラーから最後の送信ミラーに反射させ、チェーン内の次の衛星に信号を中継します。

研究者らによると、彼らの提案では、密に配置された衛星が「光学テーブル上の一連のレンズのように」効果的に機能し、地球の曲率に沿ってビームを集束させて曲げ、回折による光子の損失を防ぐという。

ゴスワミとダーラはモデリングにおいて、それぞれが隣の衛星から 120 km 離れた一連の衛星を考慮しました。 地球周回軌道上で予想されるビーム発散を考慮すると、各衛星の望遠鏡の直径は 60 cm になることを意味します。 研究チームのモデリングは、量子信号が反射によって衛星から衛星へと受け渡されるこのようなリレー設定により、20,000 km の距離にわたって回折損失が事実上排除されることを示唆しています。

回折損失に対処した後、ゴスワミとダーラは、衛星レンズ システムにおける他の潜在的な損失源を系統的に調べました。 明らかな問題の 1 つは、ミラー自体での一部の光子の反射損失です。これは、大きな金属ミラーと小さな超高反射率のブラッグ ミラーを組み合わせた構成によって管理可能に保つことができると両氏は考えています。 損失のもう 1 つの原因は、チェーン内の衛星の追跡および測位エラーにあります。 衛星同士の同期を保つためには、このような問題を最小限に抑える必要があります。

最終的な損失源は衛星とは何の関係もありません。 量子通信アーキテクチャに応じて、量子情報は地表のステーションとの間で送信される必要があります。 自由空間光信号の場合、大気の乱流によるデータ損失の可能性が生じ、ビームのサイズと広がりが大幅に増大する可能性があります。