重力波通信の基礎概念と方法論を示した研究が発表！
重力波通信とは、空間そのもののゆがみを情報を運ぶ波（キャリア波）として利用する新しい通信手段のアイデアです。
光（電磁波）を使った従来の通信と異なり、重力波は物質をほとんど透過し、宇宙空間をほぼ減衰なく伝わります。
このため、「星の内部を通り抜ける通信ができる」「超遠距離でも比較的減衰が少ない通信が可能になるかもしれない」という点が大きな魅力とされています。
近年、重力波が実際に観測されるようになったことで、天文学分野では「重力波天文学」が一気に花開き、ブラックホールの衝突現象を捉えるなど、これまで電磁波だけでは見ることのできなかった現象の理解が進んできました。
そんな重力波を「通信」に使おうという発想は以前から存在していましたが、長らくSF的なアイデアとみなされることが少なくありませんでした。
ところが最近になって、さまざまな物理学・工学的手法を用い、重力波通信を実現する可能性を真剣に探る研究が世界各地で進められています。
イギリスのケンブリッジ大学で行われた研究では、この夢のある技術を「どうやって重力波をつくるのか」「どうやって検出するのか」「そもそも通信として成立するのか」といった点について、重力波通信の基礎概念と方法論が示されました。
本コラムでは、まず重力波通信という分野がなぜ注目されているのか、その研究史や強みを概観します。
そして、論文が提示している「質量の動きだけで重力波を発生させるシンプルな原理」や、「電波では困難な環境でもほぼ遮蔽されない特性」、さらには最新のアイデアに基づく受信技術や通信チャンネルモデルなど、研究の具体的な中身を紹介していきます。
さらに、既存の電磁通信や量子通信など他の方式との比較を通じて、重力波通信の可能性や課題を掘り下げていきます。
研究内容の詳細は2024年12月26日にプレプリントサーバーである『arXiv』にて公開されました。
目次
- 重力波通信はSFの領域から脱出しつつある
- 重力波通信は「あらゆる遮蔽物」を貫通する
- 重力波通信の概念図
- 重力波通信が実現したらどうなるか？
重力波通信はSFの領域から脱出しつつある
重力波そのものは、1916年にアインシュタインが一般相対性理論の枠組みで「時空のゆらぎ」として理論的に予言したものでした。
しかし当時は、そのゆらぎがあまりにも微弱であるため、人類がいつか直接観測できる日は来ないと考えられていました。
ところが、技術の進歩に伴い、レーザー干渉計（LIGOなど）が天体由来の重力波を検出しうる感度を実現できるようになり、2015年にブラックホール連星合体から放出された重力波が初めて直接観測されました。
これは、一般相対性理論が予言した現象の真実性を劇的に証明しただけでなく、「重力波を新しい観測手段として利用する」という道を切り拓く歴史的事件となりました。
特に超伝導技術の応用や、粒子加速器の大型化・高出力化によって、従来は実験すら困難だった「質量の高速回転」「衝突によるエネルギー集中」などが研究可能になっています。
重力波通信では「大質量の動きによる重力波の発生」が必須ですが、これらの新発見により、いろいろな実験装置の新提案が生まれはじめました。
さらにはAIの力を使ったディープラーニングによる信号抽出など、多方面の技術革新が起こり始めたことで、「重力波通信」を真面目に検討する研究が世界各地で行われるようになっています。
実際、「重力波通信」を冠した特許申請や学会発表、査読付き論文が少しずつ増えてきています。
もちろん、実用化のめどが立っているわけではありませんが、どのように重力波を生成し、どう検出するかなど、具体的な技術提案がなされるようになり、かつて“荒唐無稽”と一蹴されていた着想が、検討の余地あるテーマとして評価されつつあります。
このように、重力波通信は天文学の副産物やSF的アイデアとして生まれつつも、重力波検出技術の進歩や学際的な研究姿勢に後押しされて、じわじわと真面目に研究される領域に入りつつあるのです。
次章では、そんな重力波通信の大きな特徴の一つである「どんな遮蔽も貫通する」という理論的強みについて解説します。
重力波通信は「あらゆる遮蔽物」を貫通する
現在メインで使われている通信方法は、多かれ少なかれ電磁波に依存しています。電波・マイクロ波、光ファイバー通信に使われる可視光・赤外光など、いずれも電磁波の一種です。
電磁波は物質やプラズマとの相互作用が強いため、大気や星間物質、あるいは海や地下などの環境では減衰や反射・散乱を受けやすく、通信が困難になる場面が少なくありません。
一方で、重力波が従来の電磁波（電波・光・X線など）と本質的に違う最大の特徴のひとつは、物質との相互作用がきわめて弱いという点です。
星間ガスや惑星の地殻、ブラックホールや中性子星の周囲といった、電磁波なら吸収・散乱されやすい非常に厳しい環境でさえ、重力波はほとんど減衰せずに通過できます。
地球上にある物体をいかなる手段で覆い隠そうが「重さ」が消えないことからもわかるように重力波は「なんでも貫通する」という極端な透過力を持っているからです。
もちろん、重力波通信には“超絶な透過力”に見合った課題も存在します。特にエネルギーコストと通信速度（レート）が、現実的な障壁となっています。
以下の表は、論文で提案・検討されている代表的な重力波生成手段と、その原理・課題を比較したものです。
重力波通信の大きな特長は、基本的に「質量を動かす」だけで波源を生み出せるという理論的なシンプルさにあります。
電磁波であれば電気的な振動源（アンテナ、光源など）が必須ですが、重力波の場合は質量分布が時変すればよいのです。言い換えれば、「質量の振動や移動によって時空を波打たせる」ことが重力波の基本的な発生原理となります。
ただ動かす物体とその速度には基本的に2パターンが存在します。
1つは大質量を比較的低速で動かすもの、そしてもう1つは小さな質量を高速で動かす場合です。
1：大型・低速運動タイプ
このタイプは大きく重い質量を、比較的ゆっくり動かすことで重力波を生み出そうとするアプローチです。回転や振動の周波数は低め（Hz〜kHz、あるいはそれ以下）で、装置自体が大型化しやすいのが特徴です。
電波を使った通信機に例えるならば、1つの工場ほどもある巨大な大規模通信施設と言えます。
たとえば一番上の回転棒（Rotating Rod/Bar）棒を使う場合では、ものすごいスピードで大質量の柱を回転させることで質量分布の「揺らぎ」となり、重力波を出すことを目指します。
他にも大質量の物体の回転では500トンもの大きな鋼鉄ビームを回転させ、それによる質量の四重極モーメント変化から重力波を発生させるアイデアも提示されています。
２：小型・高速運動タイプ
こちらは、質量自体は小さいものの、それを極端に高速で動かす（あるいは密度変調を高周波で行う）ことで、より高い周波数の重力波を狙う手法です。
電波を用いた通信機で言えば、個人用の小型無線機に該当すると言えます。
小型・高速運動タイプは装置が小型化する可能性もありますが、加速度のコントロールやエネルギー投入の効率が大問題になるなどの課題もあります。
一番上の圧電効果（結晶に電場をかけると振動を起こす現象）を利用する方法では、結晶の機械振動を高周波で発生させます。
振動周波数を高くすると、それに対応した周波数帯の重力波が放射される理屈です。
結晶の僅かな振動でも、それが高速で動くように仕向けるわけです。
他にも軌道角運動量（オービタルアングラモーメント）を持つ「ねじれ光ビーム」（ツイステッドライト）を高出力で照射し、通常の直進レーザー以上に質量・エネルギー分布の非対称性を強めて重力波を発生させよう、という手法もこちらに当てはまります。
ただいずれの方法にも共通するのは、「四重極モーメントなどの質量分布の変化」を作り出すという点です。
バネにぶら下げた質量を上下させるだけ（単純な1次元運動）では重力波はほぼ出ません。
単純な物体の運動は周囲に対してほとんど対称的な引っ張り・押し込みしか働かず、遠くに波として伝わる“うねり”を生むには不十分だからです。
たとえるならば、泡だて器を使ってクリームをかき混ぜる場合を考えると分かりやすいかもしれません。
通常の泡だて器の棒は対称な作りの先端が単純な回転運動をします。
これにより発生する波は穏やかでクリームは周囲に飛び散ることがありません。
しかし重力波を使った通信を行うには、時空に可能な限り大きな波打ちを起こさねばなりません。
そのため推奨される条件として、個々が独自に回転する2つの非対称の質量（四重極以上の不均衡な質量分布）が求められることになるのです。
直感的には、たとえば「ゆがんだダンベル形」が回転するイメージを思い浮かべるとわかりやすいでしょう。
時空を激しくかき回し重力波の波紋を効率よく発生させるには、複雑な動きが必要とされるのです。
３：重力波は単純な動きでは上手く出てこない
また重力通信の受信方法としては、以下の5種類が知られています。
いずれの手法も周波数帯や物理的アプローチが異なるため、互いに補完し合う形で「広範な重力波領域をカバー」することが期待されています。
ただし、特に高周波帯ほど信号の振幅が微小になるため、極限的な雑音制御や高感度計測技術が鍵となります。
また、既に実用化している干渉計による天文観測でもノイズ対策や技術改良の余地が大きく、将来に向けては新しいアイデア（ディープラーニングやマルチメッセンジャー解析など）がますます重要になるでしょう。
次章ではいよいよ、論文が提示する重力波通信の基礎設計に迫ります。
重力波通信の概念図
今回の論文では、「重力波を情報の運び手」とみなしたときに、空間を伝播する過程でどのような変化が起きるのかを体系的に整理しよう、というアプローチが取られています。
一般に通信工学では「どんな雑音・歪みが載るか」を定義し、その特性に合わせて変調や符号化を最適化します。
重力波通信でも同様に、「重力波が送信源（質量分布のゆらぎ）から受信器（検出装置）に届くまでの間」に生じうる現象を洗い出し、概念図として示しています。
この図は、「重力波を使って情報を送るとき、送信機（TX）から受信機（RX）に波が届くまでにどんな影響があるか」をまとめたものです。
ブラックホールなど強い重力場による影響（周波数シフト：Frequency Shifts）、宇宙が膨張していることによる影響（振幅減衰 ：Signal Attenuation)、背景の重力場や磁場などによって、波の振動方向が少し回転したり歪んだりする影響（偏波変化：Polarization Changes）、重力レンズ効果などによる影響（位相の歪み・フェージング：Phase Distortion &Fading）などの通信に影響する要素が含まれています。
この図のすごいところは、電波通信では当たり前になっている「どんなところで波形が変化し、どんなノイズが乗るのか」を重力波に当てはめて整理した点です。
普通なら障害物を通ると減衰してしまう電磁波とは違い、重力波では宇宙膨張や強力な重力場が波を歪ませる主な要因になります。こうしたモデルがあれば、どの周波数帯を使えばいいのか、どうやって変調や符号化を行うか、受信側で雑音にどう対処するか、などを考えやすくなるのです。
もし技術が進んで人工的に重力波を作って検出できるようになれば、この図に書かれた仕組みをベースに「重力波通信システム」も設計できるかもしれません。SFのように思える話ですが、研究はすでに動き出しています。
重力波通信が実現したらどうなるか？
重力波通信は、いまだ実用化に向けて高いハードルを抱えているものの、「物質をほとんど通り抜けられる」という性質が放つ可能性の大きさから、今世界中の研究者たちが注目しています。
ここでは、もし重力波通信が実現したらどんなふうに使われるのか、そしてどのような未来が描けるのか、少しSF的な想像も交えながら考えてみましょう。
極限環境での通信
まず真っ先に思い浮かぶのは、大気中や電磁ノイズの多い場所ではすぐに減衰したり妨害されたりしてしまう電磁波（電波や光）に代わる手段としての重力波通信です。
たとえば惑星の地殻やマントルの内部、あるいは太陽や恒星の中といった、従来の通信方法だとどうしても障害物に阻まれるような環境でも、重力波ならスッと通り抜けられるかもしれません。
もし火山の噴火口の下まで通信回線を引くのが難しいなら、重力波を介して観測機器とやりとりするような未来が来る可能性もあります。
また、核融合炉のように超高温プラズマが飛び交う場所や、磁力線が入り乱れる実験施設の中でも、重力波ならほとんど干渉を受けません。
これは将来的に、極限的なエネルギー環境を研究する物理実験や、深海や火山深部の観測など、地質・地球科学の分野でも大きな役割を果たすかもしれません。
宇宙探査と深宇宙コミュニケーション
重力波の最大の魅力の一つは「星の内部を貫通するほど相互作用が弱い」ことで、宇宙空間でも長距離通信に使えそうだという点です。
電波なら星間ガスやダストなどが邪魔になるところ、重力波なら銀河系を越えても減衰がほとんど起きない、と理論的には言われています。
将来、人類が太陽系を越えた深宇宙へ飛び立つ時代が来るかもしれません。
そのとき、数十光年も離れた探査船に向けて電波を飛ばしても、途中で弱くなってしまう恐れも大きいです。しかし重力波通信なら、通信が途絶えるリスクを大きく減らせる可能性があります。
何十年、何百年かかるロマンあふれる星間航行でも、地球と探査船が“時空のゆらぎ”を通じてつながっている――そんな未来像はSFの世界そのものです。
科学研究への貢献
重力波通信は、「通信が成立する」ということ自体が、同時に重力波の性質を深く知ることにつながります。
時空がどうやって波打つかを精密に測ることで、まだわかっていない宇宙の姿や、量子重力と呼ばれる理論的な難問のヒントも得られるかもしれません。
さらに、いまは観測にばかり注目されている重力波ですが、通信に応用するために「発生」「増幅」「制御」「復調」などを探究することで、相対性理論や宇宙論の新しい実験的検証方法が生まれる可能性があります。
もちろん、現状の技術では重力波通信を本格的に運用するにはあまりに大きな壁があります。
重力波を人工的に作り出すには莫大なエネルギーが必要だし、受信側も信号が超微弱で、ほとんどノイズに埋もれてしまう。通信レートもごく低いのが難点です。
でも、だからこそ世界中の研究者がいろいろな方法を考え出し、超伝導技術や高出力レーザー、スピントロニクスなど最先端の領域と結びつけながら、妙案を探しています。
もし、そのどれかが大きなブレイクスルーを起こして重力波の生成効率や検出感度が飛躍的に向上すれば、これまでSFの中だけだったような応用シーンが、少しずつ現実のものになっていくかもしれません。
人類が本当に星の海へ旅立つ頃には、きっと電磁波だけでなく重力波も当たり前のように使うようになっているでしょう。
元論文
Gravitational Communication: Fundamentals, State-of-the-Art and Future Vision
https://doi.org/10.48550/arXiv.2501.03251
ライター
川勝康弘: ナゾロジー副編集長。 大学で研究生活を送ること10年と少し。 小説家としての活動履歴あり。 専門は生物学ですが、量子力学・社会学・医学・薬学なども担当します。 日々の記事作成は可能な限り、一次資料たる論文を元にするよう心がけています。 夢は最新科学をまとめて小学生用に本にすること。
編集者
ナゾロジー 編集部