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中国刷新世界纪录!“墨子号”实现1203公里光子纠缠,潘建伟团队跨越超安全通信障碍

2017年6月16日 上午3:36
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中国刷新世界纪录!“墨子号”实现1203公里光子纠缠,潘建伟团队跨越超安全通信障碍

升空整整10个月之后,“墨子号”终于再次传来好消息,当地时间6月15日,《Nature》杂志头版刊登出了中国“墨子号”量子卫星首次实现上千公里量子纠缠的消息,相较于此前144公里的最高量子传输距离纪录,这次跨越意味着绝对安全的量子通信又进一步贴近了实用。

根据了解,此次接收量子信号的两个地面站分别是青海德令哈站和云南丽江高美古站,两地相距1203公里,卫星的工作高度约为500公里。而在每晚仅有5分钟的时间窗口期间之内,研究团队要保证做到两地可以同时接收到卫星所发出来的信号,功夫不负有心人,此次试验取得圆满成功。

而实际上,“墨子号”的高超能力从研制开始就已经显现出来了,当时就已经实现了每秒一次量子纠缠的效率,比原有的预期要快了10倍。而“墨子号”团队的负责人潘建伟也表示,他们已经启动运用量子纠缠技术创建密钥的相关实验了,不过他们暂时并不准备对外公布实验结果。

长期以来,量子纠缠作为一种神秘现象始终被局限于物理的研究领域,它具体表现为量子进入一种叠加状态,即其量子特征在同一时间处于不同状态。像薛定谔的猫一样,在同一时间可能存在生和死两种状态。物理学家已经成功实现了多种粒子的纠缠,比如电子和光子,以及超导电路这类大规模应用。

理论上说,即使处于纠缠态的物体被分开,它们的不稳定的量子态仍然保持某种联系,直到其中一个被测量或被扰乱。人为测量可以同步决定了另一个的状态,无论距离多远,这一结论都会奏效。虽然想法看上去很违反常识,甚至连爱因斯坦都曾评价它是“遥远的幽灵活动”(spooky action at a distance)。

然而,从20世纪70年代开始,物理学家开始研究增加距离可能会带来的影响。在2015年进行过一项非常复杂的实验,对相隔1.3公里处于纠缠态的电子进行测量,验证了这种“远距离的幽灵活动”是真实存在的。

除了基础理论研究,量子纠缠特性最重要的还在于广阔的应用前景,其中最重要的当属防范黑客、提升保密的安全等级。长距离的量子纠缠是安全通信的“量子钥匙”。任何对加密信息的破解尝试都会对分享的钥匙产生干扰,进而提醒通讯者注意自己的信息安全。

但棘手的问题在于,纠缠态的量子会在通过空气等介质的时候急剧衰减。所以,目前量子秘钥的最长距离也就只有几百公里。作为解决办法,量子中继器(Quantum repeaters)能够通过放大量子信号的方式延展网络的覆盖范围,但这一技术尚未成熟。许多物理学家于是梦想通过卫星在几乎真空的太空环境中传输量子信号。

“当你有卫星在全球范围内传输信号的时候,一切就都不成问题了。”西班牙国家研究所的科学家 Verónica Fernández Mármol 表示,“量子卫星的跨越使得我们在光纤传输中遇到的所有问题都迎刃而解。”

而实现这一目标的正是中国的潘建伟团队,据悉,这个以中国古代哲学家的名字命名的量子卫星总共耗资约一亿美元,建成之后会极大提升中国在该领域的竞争能力,做到可以和美国并驾齐驱的地位。

但实验操作本身并不容易,在本次实验中,研究团队向卫星上的一种特殊晶体发射了一束激光。该晶体会释放一对偏振方向相反的纠缠光子;然后,两个光子分别被发射到相距1203公里远的德令哈和丽江。在西藏的高山上,稀薄的空气令光子不那么容易衰弱。本周内,该团队已经报道同时测量到了1000个光子对,并发现偏振方向相反的对数远超预想的随机对数,因此确定刷新了“量子纠缠”的距离记录。

过程中,研究团队必须克服许多障碍,例如,卫星以约每秒8公里的速度在太空中飞行,科学家需要想方设法将卫星发回的光子束聚焦在地面站上。新加坡国立大学物理学家亚历山大·林(Alexander Ling)说:“这是一项非常具有挑战性的任务,也非常值得尝试。”但是,Ling指出,潘建伟团队从卫星发送的光子束中,大约每600万光子只收回了一个,这一表现虽然远远优于地面实验,但是离量子通信迈向实际应用仍有距离。

潘建伟希望中国科学院国家空间科学中心可以尝试发射更多的卫星,这些卫星能够发出更强、杂质更少的光束,甚至在阳光照射下也能检测到(“墨子号”目前只能在夜间环境下工作)。

与此同时,潘建伟将使用“墨子号”向地面站发射量子密钥,这需要波长更长的光子和更多的步骤。另外,潘建伟团队将在中国和奥地利的空间站之间进行洲际量子密钥的传送,他还计划在西藏天文台与空间卫星中进行量子星地通信。

其他国家和地区也正在加快他们的量子空间实验研发脚步:Ling正在与澳大利亚的物理学家们合作一个在两颗卫星之间发送量子信息的项目;加拿大航天局最近宣布将资助小型量子卫星的研发项目;欧洲和美国的研究团队计划将量子仪器带上国际空间站。

曾推动欧洲航天局的量子卫星研发计划的奥地利物理学家 Anton Zeilinger 表示,他们的实验目标之一是测试量子纠缠是否会受到引力场的影响,具体可以通过比较轨道弱重力环境中某个光子及其量子纠缠对象的状态实现,而类似这样的实验可谓少之又少。

总而言之,量子通信卫星的这次成果意义重大,不仅证明了量子态在超长距离(1203公里)下仍保持其纠缠特性,刷新了之前在地面上通过光纤传输的记录。更重要的是,此次实验验证了基于卫星的量子通信模式的可行性,理论上说在地球上的任意两地都可以借助卫星进行量子保密通信,为未来更远距离量子保密通信打下了基础,伴随着大动态范围、高稳定性卫星控制技术的发展,全球化量子卫星通信的愿景愈发清晰。

来源: sohu.com

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