[論文レビュー] Space-QUEST: Experiments with quantum entanglement in space

Rupert Ursin, Thomas Jennewein+37 more|Springer Link (Chiba Institute of Technology)|Jun 5, 2008

Quantum Mechanics and Applications被引用数 14

ひとこと要約

Space-QUESTは、国際宇宙ステーション（ISS）に搭載する宇宙ベースの量子通信ペイロードを提案し、長距離量子もつれ実験およびグローバルな量子鍵配送を可能にする。同時に2か所の地上局にダウンリンクされるもつれた光子対を用いて、1000kmを超える距離で量子非局所性を検証し、量子通信における無条件の安全性を実証する。これは、大陸間距離でのもつれの初めての宇宙ベースの実験である。

ABSTRACT

The European Space Agency (ESA) has supported a range of studies in the field of quantum physics and quantum information science in space for several years, and consequently we have submitted the mission proposal Space-QUEST (Quantum Entanglement for Space Experiments) to the European Life and Physical Sciences in Space Program. We propose to perform space-to-ground quantum communication tests from the International Space Station (ISS). We present the proposed experiments in space as well as the design of a space based quantum communication payload.

研究の動機と目的

• 宇宙空間における長距離もつれ実験を通じて、量子力学が巨視的スケールで成り立つかどうかを検証すること。
• 地上の大気損失および光ファイバー損失のため、地球上で達成できない1000kmを超える距離での量子鍵配送（QKD）を実証すること。
• もつれた光子と弱いレーザー光パルスの同時ダウンリンクが可能な宇宙搭載型量子変換器を開発すること。
• 低地球軌道の人工衛星を量子ネットワークにおける信頼できるノードとして用い、グローバルスケールの量子通信を可能にすること。
• 相対論的効果および重力の変更がもつれた量子状態に与える影響を調査すること。

提案手法

• 国際宇宙ステーション（ISS）を、もつれた光子源、単一光子検出器、およびダミー状態レーザーを備えた量子通信ペイロードのプラットフォームとして利用すること。
• 2か所の地上局が1000km以上離れている状態で、ISSから同時に2か所の地上局へ光学的ダウンリンクを用いてもつれた光子対を送信すること。
• 受信した光子対に対してベル不等式の検証を実施し、大陸間距離での量子非局所性およびもつれの忠実度を検証すること。
• 2段階の鍵配送プロトコルを実装する：まず衛星と各地上局との間に安全な鍵を生成し、次にそれらを古典的公開通信（例：ビット単位のXOR）を用いて組み合わせ、地上局間で共有秘密鍵を生成すること。
• マテラレーザー測距観測所などの既存の宇宙ベース光学インfraストラクチャを活用し、量子ダウンリンクの性能をシミュレーションおよび検証すること。
• 量子チャネルと併せて、最大数Gbpsの帯域幅を持つ古典通信リンクを統合し、ハイブリッド量子-古典通信システムを支援すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 宇宙から地上への量子もつれが、1000kmを超える距離で保持され、検証可能であるか？
• RQ2 低地球軌道における相対論的効果が、もつれた系の測定結果のタイミングおよび因果関係にどの程度影響を与えるか？
• RQ3 宇宙ベースの量子変換器が、大陸間距離で無条件の安全性を有する量子鍵配送を可能にするか？
• RQ4 長時間にわたる伝播および高い相対速度下で、巨視的スケールの量子系はどのように振る舞うか？
• RQ5 キーリレーリングプロトコルを用いて、人工衛星を信頼できるノードとして用いることで、スケーラブルな量子ネットワークの実現可能性はどの程度か？

主な発見

• Space-QUESTの提言により、地上ベースのシステムでは不可能な1000kmを超える大陸間距離での量子非局所性の実験的検証が可能となり、これは光子損失のため地上実験では達成できない。
• ISSから2か所の地上局への同時ダウンリンクにより、衛星を介した鍵の古典的後処理を通じて、地上局間で共有され、無条件の安全な量子鍵が生成可能である。
• 144kmの自由空間レーザーリンク（ラ・パルマからテネリフェ）およびアジサイ人工衛星の反射鏡を用いたシミュレートされた衛星ダウンリンクを用いた実証実験が、すでに宇宙に近い条件下での単一光子の送受信と検出を実証している。
• スペースペイロード統合に適したコンactで低消費電力かつ高効率な非線形結晶を用いたもつれた光子源が開発・検証済みである。
• ミッション設計は、量子通信と高速古典通信の両方をサポートしており、数ギガビット/秒のレートでハイブリッド量子-古典データ転送を可能としている。
• ミッションのロードマップでは2014年末の打ち上げを目標としており、10か国からなる27名の研究者から構成される専門チームが技術的・科学的開発を支援している。