中國墨子號衛(wèi)星首次實現(xiàn)1200公里量子糾纏，震驚國外專家

　　ICCSZ訊  在量子加密通信的研究領(lǐng)域，如何長距離傳輸糾纏光子一直是個很大的難題。不過最近我國的科學(xué)家們，利用去年八月發(fā)射的墨子號量子衛(wèi)星，在這件事上取得了一些突破。研究者們成功從太空中，往相距約 1200 公里的云南麗江和青海德令哈地面站發(fā)送了糾纏光子對。

　　去年年底的某個晴朗的夜晚，一個綠色的星點出現(xiàn)在中緬邊界的地平線附近。正在麗江郊外觀測站的物理學(xué)家，中國科技大學(xué)教授陸朝陽觀測到了這一現(xiàn)象，他說：“這很像一個非常明亮的綠色星體。”

　　陸教授和他的同事們必須趕快采取行動。因為那個綠色星體其實是來自于 300 英里上空正在運行的衛(wèi)星發(fā)出的一道激光，它就像一個燈塔預(yù)示著太空飛行器的位置。激光點在空中快速移動著，10 分鐘后就會消失在地平線中。所以這個由中國的多個科學(xué)機構(gòu)研究者組成的團隊，正在用望遠鏡緊緊盯著這道綠光，努力捕捉著其中最重要的東西：這個衛(wèi)星上由特殊晶體制造的一種微妙的單一紅外光子。最終他們過濾掉綠光，鎖定了他們的“獵物”——一個過去從未發(fā)出射過的量子信號。

　　這項實驗是量子密碼這種新技術(shù)中的一次關(guān)鍵測試。量子密碼就是像光子這樣的量子傳輸安全信息的技術(shù)。但是眾所周知，脆弱的量子不易進行傳遞，如果你試圖利用光纖來傳遞它們，超過 150 英里后，信號就會失效，這種性質(zhì)使得量子密碼在全國或者世界范圍內(nèi)傳遞消息時起不到什么作用。

　　所以科學(xué)家們一直在研究如何利用衛(wèi)星來進行長距離的量子傳送。但是在此之前，還沒有人做到如此遠的距離。在這項實驗中，中國科學(xué)家在兩個相距 750 英里的地面站點和衛(wèi)星之間傳遞單一光子，創(chuàng)造了距離最遠的新記錄(兩站分別是青海德令哈站和云南麗江高美古站，兩站距離1203公里)。參與這項工作的巴黎量子計算中心副主管 Eleni Diamanti 說：“這個實驗對擴展遠距離量子溝通網(wǎng)絡(luò)來講擁有里程碑式的意義，這毫無疑問。”

　　去年 8 月，在戈壁灘的酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心，中國發(fā)射了造價一億美元的量子衛(wèi)星“墨子號”，專門用來進行空間級別的量子實驗。該衛(wèi)星上搭載了一套復(fù)雜的激光系統(tǒng)、反射鏡面系統(tǒng)和一中特殊的晶體，當激光反射在晶體上時，它會創(chuàng)造出一對處于糾纏態(tài)的光子。晶體一次可以制造 6 百萬對光子，但是地面上的兩個站點每秒只能探測到大約一對光子。陸教授說：“這項任務(wù)非常具有挑戰(zhàn)性，類似于你在 300 米外觀察一根頭發(fā)。”

　　陸教授和他的同事們認為，量子密碼技術(shù)會成為未來一種良好的加密工具，其工作原理是這樣的：首先，測量光子的性質(zhì)，得到一串由 0、1 組成的密鑰，接著利用這串密鑰加密你的信息并將其發(fā)送給特定的接收者。如果黑客想要在傳輸中竊取這串密鑰，根據(jù)測不準理論，量子將會在竊取的瞬間改變密鑰數(shù)字。想象薛定諤的貓，當你沒有觀察它時，它既生又死，而你一旦觀察它，它就會表現(xiàn)出生或者死的一個狀態(tài)。同樣的，偷竊的黑客會瞬間改變構(gòu)成密鑰的光子的狀態(tài)，所以理論上，在理想狀態(tài)下，這串密鑰絕對不會被竊取(現(xiàn)實中的硬件設(shè)備并不完美，探測器在探測連續(xù)單一光子時表現(xiàn)不佳，這可能讓我們誤以為信息被竊取了，黑客也可以通過發(fā)射強光來追蹤你的探測器)。

　　中國的量子衛(wèi)星發(fā)射和這項實驗是科研人員長期努力的結(jié)果。負責這個項目的物理學(xué)家，中國科技大學(xué)教授潘建偉說，衛(wèi)星實驗的開始可以追溯到2003年，他帶領(lǐng)的大約 100 人的團隊從設(shè)計、建造到調(diào)整激光和衛(wèi)星系統(tǒng)付出了多年的努力。他們最初的實驗是在地面上進行的，起初只是在幾英里內(nèi)傳輸密鑰，后來慢慢開始加大距離。

　　“但是他們在該領(lǐng)域的研究仍然是很快的。”加拿大滑鐵盧大學(xué)的物理學(xué) Thomas Jennewein 說道(他最近完成了從地面到飛行中的飛機間的量子傳輸)。幾年前，Jennewein 在國際空間站上試圖完成相似的實驗。他說：“因為各種實驗的復(fù)雜性、高昂的成本等等，那些項目沒有一個可以實現(xiàn)如此遠的距離。但是中國團隊現(xiàn)在做到了，他們走在了領(lǐng)域的前沿，這非常棒。”

　　杜克大學(xué)的中國科技政策研究專家 Denis Simon 說：“他們之所以行動如此快速，得益于中國政府對該項目的充分重視。因為中國政府領(lǐng)導(dǎo)希望完成這樣的實驗，所以實驗團隊無需在通常的官僚制度上浪費時間。”中國政府對量子通信技術(shù)抱有極大的興趣，因為量子安全通信對國家利益大有裨益。他說道：“中國政府想將這種通信技術(shù)運用在中國南海的海軍戰(zhàn)艦上，該技術(shù)的應(yīng)用還有很多。”

　　同時，其他國家的科學(xué)家也在進行類似的實驗，但是卻被很多官僚制度所束縛。比如 Diamanti 的團隊還正在等待歐洲空間局對他們在國際空間站和歐洲幾個地面站點間傳遞量子實驗申請的回復(fù)。伊利諾伊香檳分校的物理學(xué)家 Paul Kwiat 也正在領(lǐng)導(dǎo)美國的團隊與 NASA 合作進行相似的實驗。

　　但是還沒有一個國家像中國一樣對量子通信有著宏偉的計劃。陸教授和他的團隊正在計劃在一個新的更遠的衛(wèi)星上實施同樣的實驗，將量子通信的距離從城市間擴展得到更遠。他們想要在中國和奧地利(那里有一些合作伙伴)之間交換量子密鑰。潘建偉曾說過，中國計劃在 2030 年打造一個覆蓋全球的量子衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)。陸教授說：“我們是非常幸運的，我們的成功得益于中國政府的快速決策系統(tǒng)，政治和科學(xué)的結(jié)合可以事半功倍。”