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

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（最近の研究開発動向については補足資料参照）。

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。

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、高度600kmの低軌道（太陽同期軌道）を周回する多数の衛星を互いに連携させることにより、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』構築に向けた取組が活発化しています。衛星コンステレーション上では、多くの重要情報やビジネス価値の高い情報が流れ蓄積するため、短時間で大量の情報を安全に地上に送信する技術が必要になります。しかしながら、衛星通信で使われる電波やマイクロ波の周波数帯は既に逼迫しており、周波数の許認可取得も容易ではなく、通信の大容量化にはおのずと限界があります。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。衛星光通信は、過去10年間で日米欧の多くの宇宙ミッションによって実証されてきました。2014年5月には、NICTが開発した小型光通信機器（SOTA）が超小型衛星SOCRATESに搭載され高度600kmの太陽同期軌道に投入されました。そして、低コスト化が可能な波長1.5ミクロンレーザでの光通信の実証実験に成功し（2015年6月3日NICT報道発表）、2016年から量子通信の実証実験を行ってきました。

量子通信は、光子一個一個のレベルで情報を制御できるため、衛星光通信の容量や距離を更に改善することができます。また、情報漏えいを完全に防ぐ量子暗号の実現にも必須の技術になります。特に、衛星光回線では大気圏での減衰しかなく、その減衰量は光ファイバよりも小さいため、地上光ファイバ網では不可能だった大陸間スケールでの量子通信や量子暗号が可能になります。

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（通称「墨子」、英語名Mozi）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（J. Yin et al., Science, vol. 356, no. 6343, p. 1140, June 2017）。中国チームは、この量子科学技術衛星を用いて、さらに大陸間スケールの量子暗号の実験にも取り組んでいます（E. Gibney, Nature vol. 535, p. 478 (2016).）。

このように衛星通信分野では、この数年、光通信や量子通信技術の開発をめぐって、日本、中国、欧米各国が熾烈な研究開発競争を繰り広げる時代に入っています。