中國墨子號衛星首次實(shí)現1200公里量子糾纏，震驚國外專(zhuān)家

　　ICCSZ訊  在量子加密通信的研究領(lǐng)域，如何長(cháng)距離傳輸糾纏光子一直是個(gè)很大的難題。不過(guò)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(gè)晴朗的夜晚，一個(gè)綠色的星點(diǎn)出現在中緬邊界的地平線(xiàn)附近。正在麗江郊外觀(guān)測站的物理學(xué)家，中國科技大學(xué)教授陸朝陽(yáng)觀(guān)測到了這一現象，他說(shuō)：“這很像一個(gè)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(dòng)。因為那個(gè)綠色星體其實(shí)是來(lái)自于 300 英里上空正在運行的衛星發(fā)出的一道激光，它就像一個(gè)燈塔預示著(zhù)太空飛行器的位置。激光點(diǎn)在空中快速移動(dòng)著(zhù)，10 分鐘后就會(huì )消失在地平線(xiàn)中。所以這個(gè)由中國的多個(gè)科學(xué)機構研究者組成的團隊，正在用望遠鏡緊緊盯著(zhù)這道綠光，努力捕捉著(zhù)其中最重要的東西：這個(gè)衛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(guò)濾掉綠光，鎖定了他們的“獵物”——一個(gè)過(guò)去從未發(fā)出射過(guò)的量子信號。

　　這項實(shí)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(jìn)行傳遞，如果你試圖利用光纖來(lái)傳遞它們，超過(guò) 150 英里后，信號就會(huì )失效，這種性質(zhì)使得量子密碼在全國或者世界范圍內傳遞消息時(shí)起不到什么作用。

　　所以科學(xué)家們一直在研究如何利用衛星來(lái)進(jìn)行長(cháng)距離的量子傳送。但是在此之前，還沒(méi)有人做到如此遠的距離。在這項實(shí)驗中，中國科學(xué)家在兩個(gè)相距 750 英里的地面站點(diǎn)和衛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(shuō)：“這個(gè)實(shí)驗對擴展遠距離量子溝通網(wǎng)絡(luò )來(lái)講擁有里程碑式的意義，這毫無(wú)疑問(wèn)。”

　　去年 8 月，在戈壁灘的酒泉衛星發(fā)射中心，中國發(fā)射了造價(jià)一億美元的量子衛星“墨子號”，專(zhuān)門(mén)用來(lái)進(jìn)行空間級別的量子實(shí)驗。該衛星上搭載了一套復雜的激光系統、反射鏡面系統和一中特殊的晶體，當激光反射在晶體上時(shí)，它會(huì )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(wàn)對光子，但是地面上的兩個(gè)站點(diǎn)每秒只能探測到大約一對光子。陸教授說(shuō)：“這項任務(wù)非常具有挑戰性，類(lèi)似于你在 300 米外觀(guān)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(huì )成為未來(lái)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(zhù)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，根據測不準理論，量子將會(huì )在竊取的瞬間改變密鑰數字。想象薛定諤的貓，當你沒(méi)有觀(guān)察它時(shí)，它既生又死，而你一旦觀(guān)察它，它就會(huì )表現出生或者死的一個(gè)狀態(tài)。同樣的，偷竊的黑客會(huì )瞬間改變構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(huì )被竊取(現實(shí)中的硬件設備并不完美，探測器在探測連續單一光子時(shí)表現不佳，這可能讓我們誤以為信息被竊取了，黑客也可以通過(guò)發(fā)射強光來(lái)追蹤你的探測器)。

　　中國的量子衛星發(fā)射和這項實(shí)驗是科研人員長(cháng)期努力的結果。負責這個(gè)項目的物理學(xué)家，中國科技大學(xué)教授潘建偉說(shuō)，衛星實(shí)驗的開(kāi)始可以追溯到2003年，他帶領(lǐng)的大約 100 人的團隊從設計、建造到調整激光和衛星系統付出了多年的努力。他們最初的實(shí)驗是在地面上進(jìn)行的，起初只是在幾英里內傳輸密鑰，后來(lái)慢慢開(kāi)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(shuō)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(shí)驗。他說(shuō)：“因為各種實(shí)驗的復雜性、高昂的成本等等，那些項目沒(méi)有一個(gè)可以實(shí)現如此遠的距離。但是中國團隊現在做到了，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(zhuān)家 Denis Simon 說(shuō)：“他們之所以行動(dòng)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)導希望完成這樣的實(shí)驗，所以實(shí)驗團隊無(wú)需在通常的官僚制度上浪費時(shí)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(shuō)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艦上，該技術(shù)的應用還有很多。”

　　同時(shí)，其他國家的科學(xué)家也在進(jìn)行類(lèi)似的實(shí)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(gè)地面站點(diǎn)間傳遞量子實(shí)驗申請的回復。伊利諾伊香檳分校的物理學(xué)家 Paul Kwiat 也正在領(lǐng)導美國的團隊與 NASA 合作進(jìn)行相似的實(shí)驗。

　　但是還沒(méi)有一個(gè)國家像中國一樣對量子通信有著(zhù)宏偉的計劃。陸教授和他的團隊正在計劃在一個(gè)新的更遠的衛星上實(shí)施同樣的實(shí)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(shuō)過(guò)，中國計劃在 2030 年打造一個(gè)覆蓋全球的量子衛星通信網(wǎng)絡(luò )。陸教授說(shuō)：“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，政治和科學(xué)的結合可以事半功倍。”