超小型衛星による量子通信の実証実験に世界で初めて成功

2017/7/11

国立研究開発法人情報通信研究機構（NICT） リンク

超小型衛星による量子通信の実証実験に世界で初めて成功
～宇宙と地上を結ぶ超長距離・高秘匿な衛星通信網の構築に向けた大きな一歩～

【ポイント】
■ 光子一個一個のレベルで情報をやり取りする量子通信を衛星と地上局間で実証
■ 超小型衛星を利用した「衛星コンステレーション構築」に向けた取組
■ 衛星通信網の長距離・高秘匿化を低コストで実現する技術。宇宙産業の成長に貢献を期待

　国立研究開発法人情報通信研究機構（NICT、理事長: 徳田 英幸）は、超小型衛星（SOCRATES）を使い、東京都小金井市にあるNICT光地上局との間で、光子一個一個のレベルで情報をやり取りする量子通信の実証実験に成功しました。SOCRATESは、重量50kg、サイズ50cm角で、衛星量子通信用途としては世界最軽量・最小サイズの衛星です。この衛星にはNICTで開発した小型光通信機器（SOTA）が搭載されており、毎秒1千万ビットの速度で光の信号を地上局へ送信します。地上局では光子一個一個の到来を検出しながら信号を復元することで、高度600kmを秒速7kmで高速移動する衛星との量子通信を実現しました。超長距離・高秘匿な衛星通信網の構築に向けた大きな一歩となります。
　本成果により、これまで大型衛星を必要とした衛星量子通信が、より低コストの小型衛星で実現できるため、多くの研究機関や企業による開発が可能になると期待されます。今後の宇宙産業の発展に向け新たな1ページを拓く成果です。なお、この成果は英国科学誌「Nature Photonics リンク」のオンライン版に日本時間7月11日（火）午前0時に掲載される予定です（誌上掲載は8月号）。

※ 本研究開発の一部は、内閣府 総合科学技術・イノベーション会議が主導する革新的研究開発推進プログラム（ImPACT）の支援を受けています。

【背景】
　今世紀に入り、小型衛星を低コストで打ち上げる技術が進展し、多数の衛星を連携させ、地球全域をカバーする通信網や高解像度の観測網を形成する『衛星コンステレーション』構築への取組が活発化しています。そこでは、短時間で大量の情報を安全に地上まで送信する技術が必要になりますが、従来の電波やマイクロ波は使用できる周波数帯が既に逼迫しており、通信の大容量化には限界があります。これに対して、レーザを用いる衛星光通信は、広大な周波数帯を持ち、電力効率の高い伝送が可能なため、衛星通信網を支える重要な技術として期待されています。
　また、更なる長距離・高秘匿化を実現できる衛星量子通信の研究開発も、日本、中国、欧米各国で活発に行われています。2016年8月には、中国科学技術大学を中心とするチームが600kgの大型の量子科学技術衛星を打ち上げ、2017年6月に1,200km離れた2つの地上局に向けて衛星から量子もつれ配信を行う実験に成功しました。

【今回の成果】
　NICTでは、超小型衛星（SOCRATES）に搭載された衛星搭載用小型光通信機器（SOTA）（図1参照）から、2つの偏光状態に0,1のビット情報をランダムに符号化した信号を毎秒1千万ビットの速度（10メガビット/秒）で地上局へ送信しました（図2a, b参照）。東京都小金井市にあるNICT光地上局では、口径1mの望遠鏡でSOTAからの信号を受光し（図2c参照）、量子受信機まで導波してビット情報を復号しました（図2d参照）。
　地上局に届いた信号には、パルス当たり平均0.1光子という微弱なエネルギーしか含まれていません。NICTは、この微弱信号を低雑音で検出できる量子受信機と、微弱な光子検出信号から直接、衛星・地上局間での時刻同期及び偏光軸整合を確立する技術を世界で初めて開発し、重量50kgの超小型衛星による量子通信を世界で初めて実証しました。これは、従来の衛星光通信より更に高効率な通信や、情報漏えいを完全に防ぐ量子暗号の基盤技術となります。

【今後の展望】
　今回開発した衛星量子通信技術は、これまで多額の予算と大型衛星が必要だった衛星量子通信を、より低コストの軽量・小型衛星で実現することを可能にします。したがって、多くの研究機関や企業でも開発が可能になると期待されます。さらに、限られた電力で超長距離の通信が可能となることから、探査衛星との深宇宙光通信の高速化にも道を切り拓くものです。
　今後、更なる光子伝送の高速化と捕捉追尾技術の高精度化により、衛星・地上間での量子暗号の実現と最終的には衛星コンステレーション上での安全な鍵配送や大容量通信の実現を目指します。

衛星量子通信実験のイメージビデオ ⇒ リンク