全球量子網路的突破，科學家成功本地面和衛星之間建立量子糾纏連結

在量子加密通訊的研究領域，如何長距離傳輸纏結光子一直是個很大的難題。不過最近中國的科學家們，利用 2016 年 8 月發射的墨子號量子衛星，在這件事上取得了一些突破。

20 年前，科學家們對於「量子力學傳送」這件事還只是處在猜測階段，但時至近年，中國在 2016 年 8 月領先全球發射了首枚量子衛星，據稱可確保中國在未來的通訊免於黑客攻擊和竊聽，在那之後，世界各國紛紛開始研究量子衛星和量子加密通訊的研究。

如何長距離傳輸糾纏光子一直是個很重要的難題，2016 年中國科學家在這方面又有突破，它們成功向相距 1,203 公里的青海德令哈市和雲南麗江兩個地面站分發糾纏態的量子，是全球首次證明量子糾纏的距離可達如此遠的距離，為未來量子通訊實用踏出一大步。

而最近，這群科學家們又有新的突破，他們成功地從地球傳送光子（photon）到 500 公里遠以外的衛星上。

這一次中國科學家的突破是從 2016 年墨子號升空以後，就一直在測試的目標之一。團隊不只成功的第一次將光子傳送到衛星上，他們也成功地在衛星和地球之間建立了量子網路連接。中國團隊在 MIT Technology Review 上表示，「長距離傳送已經被認為是大規模量子網路和分布式量子計算等協議的基本要素。在此之前，由於光纖或地面自由空間通道中的光子可能有損失的風險，之前的遠程實驗被限制在 100 公里的距離上。」這一次的突破，可謂打破先前的所有障礙。

當提到「傳送」這個字眼的時候你會想到什麼？像是科幻電影中常見的人類瞬間移動這樣的畫面嗎？事實上，量子傳送的定義不太一樣，量子傳送必須仰賴在所謂的「量子糾纏」上。

「量子糾纏」被愛因斯坦稱為「鬼魅般的超距作用」，因為在空間中超越光速的資訊傳遞顯然違反了相對論。它是兩個（或多個）粒子共同組成的量子狀態，無論粒子間隔多遠，測量其中一個粒子必會影響其他粒子，這被稱為量子力學非定域性。2016 年升空的「墨子號」，其任務之一就是從衛星向地面發射糾纏量子，而這一次的成功傳送是科學家們首次成功在實驗室以外的地方傳送。

在 2015 年的時候，來自荷蘭代爾夫特理工大學（TU Delft）和西班牙以及英國的科學家們在《自然》學術期刊上發布過論文，提供了新的關於量子糾纏效應確實存在的實驗證明。研究人員把兩顆鑽石分別放在大學校園的兩端（距離為 1.3 公里），每顆鑽石內含有一個可以俘獲單個電子的微小空間。校園兩端設有探測器，以確保分別放置在兩顆鑽石內的電子之間無法以傳統的物理方式交換信息。實驗結果證明，這一對電子之間確實存在某種「超越時空」的連接。這項實驗同時展示了利用量子糾纏實現安全加密技術的可行性，並朝著「量子網路」的實際應用前進了一步。

「量子糾纏」的效應在兩物體之間產生的連結，可以藉由類似「下載」的模式，將其中一個光子上的相關資訊藉由該連結傳送到另一個光子上，後者將會承襲前者。這就是「量子傳送」。

從中國科學家這一次的實驗結果來看，他們在衛星和地面間建立的量子糾纏大約是每秒 4,000 亮子的頻率，他們持續將這每秒 4,000 亮子的其中一個亮子照到衛星上，然後讓另一個亮子待本地球。最後，他們發現地球和衛星上的亮子之間確實有發生量子糾纏。

還有很長的路要走

值得注意的是，儘管這是量子傳送技術往前邁進的一大步，但目前這項科技還是有許多限制，例如，想要傳送任何比光子還要大的物件，目前來說是不可能。此外，在理論上來說，量子傳送的距離基本上可以說是毫無限制，但量子糾纏的連接非常脆弱，很容易就會中斷。

儘管如此，研究團隊還是表示，「這項工程首次建立了地對衛星之間能進行超遠程距量子傳送的想法，對於實現全球量子網路來說是一項重大邁進。」

（本文由 T客邦授權轉載；首圖來源：pixabay）

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