量子物理学：超小型人工衛星を用いたリアルタイム量子鍵配送

量子ネットワークは、革新的なコンピューティング、センシング、通信の能力を持つ量子デバイスを接続するインフラを提供する。量子衛星コンステレーションは、全球規模の量子ネットワークを促進する解決策を提供する。人工衛星「墨子」によって、人工衛星を用いる量子通信の実現可能性が実証されたが、量子衛星コンステレーションのスケールアップは困難で、小型軽量衛星、可搬型地上局、リアルタイムの安全鍵交換が必要である。今回我々は、これらの課題に取り組み、可搬型地上局を使用した宇宙から地上への量子鍵配送が可能な量子超小型人工衛星を開発したことを報告する。この超小型人工衛星のペイロード重量は約23 kg、可搬型地上局の重量は約100 kgであり、従来のものと比べてそれぞれ1桁以上、2桁以上の軽量化を達成している。我々はこのシステムを使用して、人工衛星を用いた複数の地上局との量子鍵配送を実証し、1回の衛星通過の間に最高107万ビットの安全鍵の共有を達成した。我々はまた、量子通信を用いて衛星–地上間の双方向光通信を多重化し、リアルタイムでの鍵蒸留と安全な通信を可能にした。さらに、地球上で1万2900 km以上離れた中国と南アフリカの間で、画像のワンタイムパッド暗号化を可能にする秘密鍵を生成した。今回の小型量子ペイロードは、既存の宇宙ステーションや小型衛星上で容易に組み立てることができ、実生活への幅広い応用に向けて衛星コンステレーションを用いた量子および古典ネットワークへの道を開くものである。

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