4,600キロメートルを越える！宇宙地上統合量子通信

宇宙地上統合量子通信ネットワークは、「墨子」と「北京・上海幹線」を結ぶ大規模な宇宙地上実証です。 2017年の最初の短い遭遇とは異なり、この通信ネットワークは、地上ベースの700以上の光ファイバー量子鍵配布リンクと2つの衛星地上自由空間高速リンクを統合した世界初の広域量子通信ネットワークです。地上4,600kmに及ぶ大規模マルチユーザー量子機密鍵配布を実現しました。また、2年以上にわたり、安定性とセキュリティのテスト、標準化研究、政府関係、金融、電力などのさまざまな分野での応用デモンストレーションを実施し、宇宙と地上を統合した量子通信ネットワークの構築の実現可能性を検証することに成功しました。

2021年1月7日、中国科学技術大学の潘建偉氏と陳耀氏、彭成志氏らは、中国科学院上海工業物理研究所、済南量子技術研究所、中国ケーブルテレビネットワーク株式会社の王建宇氏らの研究グループと共同で、「4,600キロメートルに及ぶ宇宙地上統合量子通信ネットワーク」と題する論文を国際学術誌「ネイチャー」に発表し、広域量子セキュア通信技術の実用化に向けた条件が初期段階で成熟したことを証明した。

ネイチャー誌の評論家たちは、これは地球上で最大かつ最も先進的な量子鍵配送ネットワークであり、量子通信における「巨大な技術的成果」であると評した。

この宇宙地上統合量子通信ネットワークは、「北京・上海幹線」を通じて中国の4つの省3都市にある32のノードをカバーしており、その中には北京、済南、合肥、上海の4つの量子都市圏ネットワークも含まれています。同時に、「墨子」を通じてチベット自治区アリ、雲南省麗江、ウルムチ市南山、青海省デリンハの4つの地上局を接続します。北京興隆駅は以前から「北京・上海幹線」に接続しており、図4-22に示すように、「墨子」と「北京・上海幹線」の接続点となっている。 「4,600km」というのは、このネットワークが北京から上海まで北京・上海幹線を経由してカバーしており、光ファイバーの総距離は2,000kmを超えるからです。また、北京興隆駅からウルムチ南山駅まで衛星通信で結ばれており、総延長は約2,600kmに及ぶ。中国の研究者らは、宇宙と地上を統合した量子通信ネットワークのプロトタイプを構築することで、将来の地球規模の量子セキュア通信ネットワークの実現に向けた科学技術の基礎を築いた。

「北京・上海幹線」が完成した後、2年以上にわたり関連技術の検証、応用デモンストレーション、多数の安定性テスト、セキュリティテスト、および関連する標準化研究が実施されました。光子数分離攻撃、ブラインド攻撃、時間シフト攻撃、波長依存攻撃、およびいくつかの潜在的なトロイの木馬攻撃などのセキュリティ テストに合格しました。結果は、「北京-上海幹線」が現在知られているすべての量子ハッカー攻撃スキームに抵抗できることを示しています。同時に、「北京-上海幹線」ネットワークの鍵配信能力は、同時に12,000人以上のユーザーをサポートできます。

この統合宇宙地上量子通信ネットワークは、金融、電力、政府関係を含む 150 を超える業界ユーザーと接続されています。 2019年初頭、中国国家電網公司は、このネットワークをベースに、北京本社から国家電網新疆電力有限公司まで2,600kmに及ぶ量子鍵配送チャネルを構築し、電力通信データの暗号化伝送を実現し、衛星対地上量子通信の実ビジネス化の可能性を工学的観点から初めて検証した。世界三大標準化機関の一つである国際標準化機構/国際電気標準会議（ISO/IEC）は、宇宙地上統合量子通信ネットワークに関する多数の試験と標準化研究の結果に基づき、「北京・上海幹線」の実践をベースとした国際標準「量子鍵配送のセキュリティ要件、試験および評価方法」をまとめている。もう一つの国際組織である国際電気通信連合（ITU）も、「北京・上海幹線」の構築モデルに基づいて、信頼できるリレーセキュリティ要件などの国際標準を起草しており、量子鍵配送（QKD）ネットワーク機能アーキテクチャ標準を発表している。

この研究で開発された関連技術は、量子通信システムの小型化、低コスト化、局所化の基盤も築きました。研究者たちは、衛星と地上間のより柔軟で効率的なドッキングを実現するために、光地上局をより小型で移動性の高いものにする方法を常に模索しています。研究チームは質量約100キログラムの小型地上局の開発に成功し、小型地上局と「墨子」間の衛星対地上量子鍵配送実験を実現し、複数の国際地上局と衛星対地上量子鍵配送実験を実施した。将来的には、小型地上局は1人で持ち運びも可能となることが期待されます。同時に、鍵配布速度の確保を前提に、数十キログラムの小型宇宙量子鍵配布ペイロードの開発に成功しました。これらの成果は、衛星量子通信の国際技術標準の形成の基礎も築きました。

——「星空の中国、私たちの量子科学衛星」より抜粋