今夏後半、アルゴンヌ国立研究所とフェルミ国立研究所の物理学者たちは、シカゴ郊外の地下を走る30マイル（約48キロメートル）の光ファイバーを介して量子情報を交換する予定です。一方の研究所では、量子もつれ光子（同一の状態を持ち、一方に起こることは他方にも起こるように結合した粒子）のペアを生成し、もう一方の研究所の研究者に送信します。研究者たちは、これらの光子が運ぶ量子情報を抽出します。この双方向リンクを確立することで、両研究所は、将来、全米の量子コンピューターを結ぶ量子インターネットの実現を目指す、最初のノードとなります。
量子ウェブには大きな可能性があります。量子暗号化による極めて安全なデータ伝送が可能になります。天文学者は、個々の光学望遠鏡で収集された希少な銀河間光子を統合し、分散型スーパースコープを構築することで、遠方の銀河をかつてないほど詳細に研究できる可能性があります。小型の量子コンピュータを連結することで量子クラウドを構築し、コンピューティング能力を急速に拡張できます。問題は、量子情報は長距離伝送を嫌うことです。もつれ合った光子を光ファイバーで現実世界に送り出すと、50マイル（約80キロメートル）も離れなければ、環境からの干渉によって量子状態が破壊されてしまいます。しかし、光子を衛星で中継すれば、数百マイル、場合によっては数千マイル（約80キロメートル）離れた目的地まで送信できます。そこで2018年、NASAはMITリンカーン研究所と提携し、量子ウェブの実現に必要な技術を開発しました。
宇宙における量子技術とも呼ばれる国家宇宙量子研究所（NSQL）プログラムの目標は、国際宇宙ステーション（ISS）のレーザーシステムを用いて、地球上の2つのデバイス間で物理的な接続なしに量子情報を交換することです。冷蔵庫サイズのモジュールは宇宙ステーションの外部に取り付けられ、量子情報を地球に運ぶ量子もつれ光子を生成します。この実証は、局所的な量子ネットワークで生成された量子もつれ粒子を遠隔地に送信できる衛星への道を開くものとなります。
「将来的には、アルゴンヌ国立研究所の量子情報が一連の衛星を経由して、国内あるいは世界中の別の場所に送信されるようになるでしょう」と、アルゴンヌ国立研究所の上級科学者で量子グループリーダーのデイビッド・アウシャロム氏は述べています。「既存の通信システムと同様に、地球規模の量子ネットワークの構築には、宇宙と地上のプラットフォームの組み合わせが必要になるかもしれません。」
NASAは量子技術を宇宙に持ち込む最初の企業ではありません。2016年には中国が衛星を打ち上げ、700マイル以上離れた2つの都市に量子もつれ光子対を送りました。これは、粒子を用いて情報を暗号化し、解読がほぼ不可能な長距離量子鍵配送技術の重要な試験となりました。この実験では、ランダムに光子を2つの地上局に送信し、到着時刻を比較することで、量子もつれ粒子が宇宙から地球までの旅を耐えられることを実証しました。もし2つの光子が同時に到着した場合、それらは量子もつれ状態にあったと推測されます。
これは画期的なデモンストレーションでしたが、「光子がランダムな時間に到着し、量子情報を送信できなかったため、これを使って量子ネットワークを生成することはできません」と、MITリンカーン研究所の光通信技術グループを率いるスコット・ハミルトン氏は述べています。この意味で、NASAが追求しているものは全く異なります。NASAは、エンタングルメント・スワッピングと呼ばれる技術を用いて、エンタングルメント粒子が運ぶ量子情報を地上のノードから別のノードに送信したいと考えています。そのためには、エンタングルメント光子を非常に正確なタイミングで送信し、それらが運ぶ情報を破壊することなく測定できる必要があります。
量子ネットワークの多くの利点は、エンタングルメント（量子もつれ）の源泉です。エンタングルメントによって、2つの粒子がどれほど離れていても、情報交換が可能になるからです。これはアインシュタインが「遠隔作用」と呼んだ有名な現象です。これらの粒子は典型的には光子であり、量子情報で満たされた手紙を運ぶ封筒と考えることができます。しかし、この情報は非常に繊細です。外界からの干渉が大きすぎると、量子メッセージ内の情報は消えるインクのように消えてしまいます。
量子ビット、重ね合わせ、遠隔での不思議な作用について知りたいことすべて。
通常、エンタングルメント光子は単一の発生源から生成されます。特殊な結晶にレーザーを照射すると、2つの同一の光子が飛び出します。片方は送信側に留まり、もう片方は受信側に送られます。問題は、エンタングルメント光子は送信側から受信側へ移動する際に増幅することができないため、伝達する情報が破壊されることなく移動できる距離が制限されることです。エンタングルメントスワッピングとは、2つの異なる発生源から生成された光子をエンタングルメントさせる技術で、これにより、ネットワーク内のノードからノードへと光子を渡すことが可能となります。これは、従来のシステムにおいて中継器が光信号や無線信号を中継するのと同様です。
「エンタングルメントの交換は、エンタングルメントを長距離伝播させるために不可欠です」と、NASAゴダード飛行センターの光物理学者、ババク・サイフ氏は語る。「これは量子インターネットへの第一歩です。」
NASAのシステムでは、国際宇宙ステーションで一対のエンタングルメント光子が生成され、地球上の地上局でも別の一対のエンタングルメント光子が生成されます。宇宙からの光子と地球上で生成された光子のそれぞれ1つが量子装置に送られ、ベル測定によって各光子の状態が判定されます。この同時測定により、それぞれのペアの残りの光子（宇宙と地球上の光子）は、異なる発生源から生成されたにもかかわらず、エンタングルメント状態になります。次のステップでは、宇宙に残っている光子を地球上の別の地上局に送り、このプロセスを繰り返すことで、各地上局で光子がエンタングルメント状態になり、物理的なリンクを介さずに2つの量子装置間の接続が確立されます。
理論上はすべてうまくいっているように聞こえるが、サイフ氏によると、タイミングを正確に合わせること自体が大きな課題だという。エンタングルメント交換には、宇宙からの光子と地球からの光子の両方が地球上の測定システムに直接同時に到達する必要がある。さらに、光子は小さな受信機に完璧な精度で到達できなければならない。時速17,000マイル（約400キロメートル）で移動する宇宙船から250マイル（約400キロメートル）離れた場所からこのレベルの精度を達成するのは、想像するほど困難だ。これを実現するために、NASAは非常に高性能な宇宙レーザーを必要とする。
NASAによる宇宙レーザー通信に関する最後の大規模実験は2013年で、月を周回する衛星との間でデータの送受信が行われました。この実験は大成功を収め、研究者たちは月周回衛星から地球へ毎秒600メガビットを超える速度でデータを送信することができました。これは、ほとんどの家庭のインターネット接続よりも高速です。しかし、月とレーザーによる通信は長くは続きませんでした。実験後まもなく、NASAは衛星を月に突入させ、衝突時に巻き上がる塵を研究者が調査できるようにしました。
「残念ながら、彼らは完全に機能していたレーザー通信システムを故意に墜落させたのです」と、NASAゴダード飛行センターの探査・宇宙通信プロジェクト部門のアーキテクト、デビッド・イスラエル氏は語る。しかし、この実験は来年初めに打ち上げ予定のレーザー通信中継実証（LCRD）衛星の基礎を築いたと彼は言う。この新しい衛星は、軌道上で最初の数年間、カリフォルニアの地上局からハワイの地上局へレーザー通信を中継し、イスラエル氏と同僚たちは天候がレーザー通信にどのような影響を与えるかを研究することになる。
長期的なビジョンは、この衛星を実験用から将来のミッションのためのデータ中継用へと移行させることです。イスラエルは、最初の運用ユーザーはILLUMA-T実験になると発表しています。この頭字語はあまりにも複雑なので、ここでは詳しく説明しません。ILLUMA-Tは、2022年に国際宇宙ステーションに設置される予定のレーザー通信ステーションで、LCRD衛星を介して地上にデータを中継し、宇宙におけるレーザークロスリンクの実験を行います。「目標は、これを搭載システムに接続し、LCRDとILLUMA-Tをもはや実験ではなく、宇宙ステーションとの間でデータを送受信するための新たな手段にすることです」とイスラエルは述べています。
ILLUMA-TとLCRD衛星は、宇宙における光通信ネットワークの基盤を築き、次世代の月探査機が月面から高解像度の動画を送信できるようにします。また、NASAの量子通信構想に必要なレーザー技術の適格性を確認するためのテストベッドとしても活用されます。「宇宙ステーション用の光学機器を既に構築していたので、さらに一歩進んで量子通信を強化してはどうかと考えました」と、NASAの量子科学技術グループを率いるナセル・バルグーティ氏は述べています。
ハミルトン氏とMITリンカーン研究所の同僚たちは、ILLUMA-Tに接続可能な量子システムの卓上プロトタイプを既に構築している。ハミルトン氏によると、このプロトタイプは地球上での量子もつれ交換の実証に使用され、宇宙対応バージョンは5年以内に完成する可能性があるという。しかし、このシステムが宇宙ステーションに設置されるかどうかは未知数だ。
今年初め、ハミルトン氏、バルグーティ氏をはじめとする量子物理学者たちは、カリフォルニア大学バークレー校で開催されたワークショップに集まり、NASAにおける量子通信の将来について議論しました。主要な議題の一つは、宇宙ステーションでの量子通信のデモから始めるべきか、それとも量子通信衛星に直接進むべきかという点でした。宇宙ステーションは先進技術の試験プラットフォームとして有用ですが、軌道が低いため、一度に観測できる地球表面の面積は比較的小さいです。数千マイル離れた地点間で量子リンクを確立するには、ISSよりも高い軌道を周回する衛星が必要です。
NASAの量子衛星リンク構築計画は、「マルコーニ2.0」と呼ばれています。これは、長距離無線通信を初めて実現したイタリアの発明家、グリエルモ・マルコーニにちなんで名付けられました。バルグーティ氏によると、マルコーニ2.0の根底にある構想は、2020年代半ばから後半までにヨーロッパと北米の間に宇宙ベースの量子リンクを確立することです。しかし、詳細はまだ議論中です。「マルコーニ2.0は特定のミッションではなく、漠然と定義されたミッション群です」とバルグーティ氏は言います。「このコンセプトには多くのバリエーションがあります。」
ハミルトン氏は、NASAが量子通信プログラムのロードマップを今後1～2年で最終決定すると予想している。その間、彼と同僚たちは、初の長距離量子ネットワークを実現する技術の構築に注力している。このネットワークの具体的な形態についてはまだ議論が続いているが、一つ確かなことは、量子インターネットへの道は宇宙を通るということだ。
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