中國刷新世界紀錄！「墨子號」實現1203公里光子糾纏，潘建偉團隊跨越超安全通信障礙

升空整整10個月之後，「墨子號」終於再次傳來好消息，當地時間6月15日，《Nature》雜誌頭版刊登出了中國「墨子號」量子衛星首次實現上千公里量子糾纏的消息，相較於此前144公里的最高量子傳輸距離紀錄，這次跨越意味著絕對安全的量子通信又進一步貼近了實用。

圖丨《Nature》雜誌封面

而實際上，「墨子號」的高超能力從研製開始就已經顯現出來了，當時就已經實現了每秒一次量子糾纏的效率，比原有的預期要快了10倍。而「墨子號」團隊的負責人潘建偉也表示，他們已經啟動運用量子糾纏技術創建密鑰的相關實驗了，不過他們暫時並不准備對外公布實驗結果。

圖丨量子衛星的工作示意

長期以來，量子糾纏作為一種神秘現象始終被局限於物理的研究領域，它具體表現為量子進入一種疊加狀態，即其量子特徵在同一時間處於不同狀態。像薛定諤的貓一樣，在同一時間可能存在生和死兩種狀態。物理學家已經成功實現了多種粒子的糾纏，比如電子和光子，以及超導電路這類大規模應用。

理論上說，即使處於糾纏態的物體被分開，它們的不穩定的量子態仍然保持某種聯繫，直到其中一個被測量或被擾亂。人為測量可以同步決定了另一個的狀態，無論距離多遠，這一結論都會奏效。雖然想法看上去很違反常識，甚至連愛因斯坦都曾評價它是「遙遠的幽靈活動」（spooky action at a distance）。

然而，從20世紀70年代開始，物理學家開始研究增加距離可能會帶來的影響。在2015年進行過一項非常複雜的實驗，對相隔1.3公里處於糾纏態的電子進行測量，驗證了這種「遠距離的幽靈活動」是真實存在的。

除了基礎理論研究，量子糾纏特性最重要的還在於廣闊的應用前景，其中最重要的當屬防範黑客、提升保密的安全等級。長距離的量子糾纏是安全通信的「量子鑰匙」。任何對加密信息的破解嘗試都會對分享的鑰匙產生干擾，進而提醒通訊者注意自己的信息安全。

但棘手的問題在於，糾纏態的量子會在通過空氣等介質的時候急劇衰減。所以，目前量子秘鑰的最長距離也就只有幾百公里。作為解決辦法，量子中繼器(Quantum repeaters)能夠通過放大量子信號的方式延展網路的覆蓋範圍，但這一技術尚未成熟。許多物理學家於是夢想通過衛星在幾乎真空的太空環境中傳輸量子信號。

「當你有衛星在全球範圍內傳輸信號的時候，一切就都不成問題了。」西班牙國家研究所的科學家 Verónica Fernández Mármol 表示，「量子衛星的跨越使得我們在光纖傳輸中遇到的所有問題都迎刃而解。」

圖丨西班牙科學家 Verónica Fernández Mármol

而實現這一目標的正是中國的潘建偉團隊，據悉，這個以中國古代哲學家的名字命名的量子衛星總共耗資約一億美元，建成之後會極大提升中國在該領域的競爭能力，做到可以和美國並駕齊驅的地位。

但實驗操作本身並不容易，在本次實驗中，研究團隊向衛星上的一種特殊晶體發射了一束激光。該晶體會釋放一對偏振方向相反的糾纏光子；然後，兩個光子分別被發射到相距1203公里遠的德令哈和麗江。在西藏的高山上，稀薄的空氣令光子不那麼容易衰弱。本周內，該團隊已經報道同時測量到了1000個光子對，並發現偏振方向相反的對數遠超預想的隨機對數，因此確定刷新了「量子糾纏」的距離記錄。

過程中，研究團隊必須克服許多障礙，例如，衛星以約每秒8公里的速度在太空中飛行，科學家需要想方設法將衛星發回的光子束聚焦在地面站上。新加坡國立大學物理學家亞歷山大·林（Alexander Ling）說：「這是一項非常具有挑戰性的任務，也非常值得嘗試。」但是，Ling指出，潘建偉團隊從衛星發送的光子束中，大約每600萬光子只收回了一個，這一表現雖然遠遠優於地面實驗，但是離量子通信邁向實際應用仍有距離。

圖丨新加坡物理學家Alexander Ling

潘建偉希望中國科學院國家空間科學中心可以嘗試發射更多的衛星，這些衛星能夠發出更強、雜質更少的光束，甚至在陽光照射下也能檢測到（「墨子號」目前只能在夜間環境下工作）。

「在接下來的5年里，我們計劃推出一些真正實用的量子衛星」，他說。

與此同時，潘建偉將使用「墨子號」向地面站發射量子密鑰，這需要波長更長的光子和更多的步驟。另外，潘建偉團隊將在中國和奧地利的空間站之間進行洲際量子密鑰的傳送，他還計劃在西藏天文台與空間衛星中進行量子星地通信。

圖丨潘建偉及其團隊

其他國家和地區也正在加快他們的量子空間實驗研髮腳步：Ling正在與澳大利亞的物理學家們合作一個在兩顆衛星之間發送量子信息的項目；加拿大航天局最近宣布將資助小型量子衛星的研發項目；歐洲和美國的研究團隊計劃將量子儀器帶上國際空間站。

曾推動歐洲航天局的量子衛星研發計劃的奧地利物理學家 Anton Zeilinger 表示，他們的實驗目標之一是測試量子糾纏是否會受到引力場的影響，具體可以通過比較軌道弱重力環境中某個光子及其量子糾纏對象的狀態實現，而類似這樣的實驗可謂少之又少。

圖丨奧地利物理學家 Anton Zeilinger

Zeilinger則認為，潘建偉證明「中國做出了正確的決定」。「我個人認為，未來的互聯網將建立在量子理論的基礎之上，」他說。

總而言之，量子通信衛星的這次成果意義重大，不僅證明了量子態在超長距離（1203公里）下仍保持其糾纏特性，刷新了之前在地面上通過光纖傳輸的記錄。更重要的是，此次實驗驗證了基於衛星的量子通信模式的可行性，理論上說在地球上的任意兩地都可以藉助衛星進行量子保密通信，為未來更遠距離量子保密通信打下了基礎，伴隨著大動態範圍、高穩定性衛星控制技術的發展，全球化量子衛星通信的願景愈發清晰。

-End-

參考：

http://www.sciencemag.org/news/2017/06/chinas-quantum-satellite-achieves-spooky-action-record-distance

http://www.nature.com/news/china-s-quantum-satellite-clears-major-hurdle-on-way-to-ultrasecure-communications-1.22142

http://science.sciencemag.org/content/356/6343/1140

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！