物理學家創造了量子態隱形傳輸的新紀錄——143千米

維也納大學和奧地利科學院的物理學家創造了量子態隱形傳輸的新紀錄——143千米。該實驗向基於衛星的量子通信邁出了一大步，相關研究成果已發表在《自然》上。

量子態隱形傳輸實驗開拓新視野。圖片來源：量子光學與量子信息研究所（IQOQI）/維也納

在奧地利物理學家安東?塞林格（Anton Zeilinger）的領導下，一個國際研究團隊已經成功實現了量子態在拉帕爾馬島（La Palma）和特內里費島（Tenerife，與前者均屬迦納利群島Canary Islands）之間的傳輸，傳輸距離超過143公里，打破了幾個月前剛由中國研究者創下的97千米記錄。

然而破記錄並不是科學家的首要目標。該實驗為量子化全球信息網路的構建提供了基礎，其中，相較於傳統技術，量子力學效應使得信息交換更安全，某些運算的執行更高效。在未來的「量子互聯網」中，量子態隱形傳輸將成為量子計算機間信息傳輸的密鑰協議。

在量子態隱形傳輸實驗中，原則上，量子態——而非實物——可以在任意遠的距離間彼此交換。即使不知道接收者的確切位置，該過程同樣能夠進行。這種交換同樣可以用於傳輸信息或作為未來量子計算機的一個操作。在這些應用中，載有量子態編碼信息的光子必須可靠地完成遠距離傳輸，並保證脆弱的量子態無損。在這一實驗中，奧地利物理學家已經建立起一個量子連接，適用於超過100千米的量子態隱形傳輸，開拓了新的視野。

參與實驗的一名科學家馬曉松（音譯）稱：「實現遠達143千米的量子態隱形傳輸一直是個巨大的技術挑戰。」光子必須在兩個島嶼間的紊流大氣中傳遞。在這麼遠距離的傳輸實驗中，光纖的信號損失過於嚴重，並不適用。為了達到目標，科學家實施了一系列技術創新。來自德國加興（Garching）馬克斯普朗克量子光學研究所（Max Planck Institute for Quantum Optics）的一個理論研究組和加拿大滑鐵盧大學（University of Waterloo）的實驗組為此提供了支持。馬教授也稱：「一種叫『積極前饋』的方法是我們實驗成功的重要一步，這是我們首次在遠距離實驗中使用這種方法。它幫助我們將傳輸速率提高了一倍。」在積極前饋協議中，傳統數據和量子信息一起被發送，這使接收者更高效地解碼傳送的信號。

「我們的實驗表明，今天量子技術已日趨成熟，可以在實際應用中發揮巨大的作用。」 安東?塞林格（Anton Zeilinger）說道，「下一步就是基於衛星的量子態隱形傳輸，這將使量子通信在全球範圍內成為可能。我們現在已經朝著這個方向邁出了重要的一步，接下來將利用我們的專業知識，與中國科學院的同僚進行一項國際合作。我們的目標是發射一顆『量子衛星』。」

魯珀特?爾森（Rupert Ursin）自2002年起就與塞林格（Zeilinger）合作進行長距離量子傳輸實驗，他補充道：「我們的最新成果展現出一幅非常鼓舞人心的圖景，在未來的實驗中，我們將能在地球和衛星間或兩個衛星間交換信號。」近地軌道衛星通常飛行於地球表面上空200至1200千米範圍內。例如，國際空間站（International Space Station）就位於高約400千米的軌道上。「在穿過大氣傳輸的途中，有上千種因素造成信號衰減，但我們設法完成了量子態隱形傳輸實驗。在基於衛星的實驗中，傳輸距離會更長，但信號需要穿過的大氣更少。我們已經為進行這樣的實驗奠定了堅實的基礎。」

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