Science封面：潘建偉團隊實現千公里級量子糾纏，大幅刷新世界記錄

撰文 | Lee Billings

翻譯 | 劉財興

審校 | 韓晶晶

中國科學技術大學潘建偉團隊利用「墨子號」量子科學實驗衛星首次實現了千公里級的量子糾纏。在這項具有里程碑意義的研究中，衛星將處於糾纏態的光子發送到相距超過1200千米遠的地面基站（青海德令哈站和雲南麗江高美古站），遠遠超過此前144千米的傳送距離，為更遠距離的量子通信打下了基礎。這項工作以封面論文的形式刊登在今天出版的《科學》（Science）上。

「中國已經領跑量子通信」，沒有參與這項工作的日內瓦大學物理學家Nicolas Gisin評價道，「這個實驗證明全球量子通信是可行的，而且將在不久的將來實現。」

量子通信被認為是信息安全領域的最優選擇，部分原因是任何竊聽行為都會在傳輸過程中留下痕迹。傳統的加密信息需要密鑰進行解密，但這些密鑰在傳輸過程中有可能被竊取。但量子通信的密鑰可以用糾纏態光子的不同量子態進行加密，比如光子的偏振方向。一旦信息被中途竊聽，其量子態便會不可避免地發生改變。地面量子通信一般是通過光纜或者空氣發送成對的糾纏態光子，但是由於途中原子的碰撞會擾亂光子的精細量子態，這種方案的傳輸距離被限制在百公里量級。量子中繼器（裝配「量子記憶」模塊的複雜儀器）或許可以實現更遠距離量子密鑰的接收、存儲、再發送，但是這個想法過於複雜，目前主要停留在理論階段。

「量子中繼器需要從兩個不同的地方接收光子，然後將其儲存在「量子記憶」模塊中，並在發送到更遠處之前讓它們直接相互干涉」，伊利諾伊大學香檳分校的物理學家Paul Kwiat說：「為了做到這些，你必須在不觀測它們的情況下進行儲存。」Kwiat解釋道：「打個比方，假如你想在不看信箱或者不打開包裹的情況下知道是否有信件到了，你可以搖一搖包裹來感知，不過如果你收到的是光子，那可就難了。你想確認收到了它們而又不擾亂它們，從原則上講，這是可能的，不過毋庸置疑這非常艱難。」

想要建立安全的全球範圍量子通信網路，唯一可行的方案就是從太空中發送量子密鑰，然後將其分發到百十公里遠的地面節點。以中國古代哲學家名字命名的「墨子」號衛星，重達600千克，2016年被發射到近地軌道，而這只不過是投資達10億美元的太空量子實驗項目（QUESS）的排頭兵。

墨子號攜帶了一系列裝配好的激光器和晶體，它們可以產生成對的糾纏態光子，並將其分離，分別傳輸到衛星視線範圍內的不同地面基站。在最近的測試中，這三個基站分別坐落在德令哈市、烏魯木齊市和中國遙遠南部城市麗江，其中德令哈市和麗江市的地理距離達到1203千米，這大踏步地提高了糾纏光子傳輸距離的記錄。

圖片來源：中國科學技術大學

目前這套系統仍然需要進一步的完善，因為目前報道的墨子號和基站間的信號傳輸速度不足以維持實用的量子通信。墨子號每秒發射約600萬對糾纏態光子，但是大約每秒只有一對可以既通過大氣層又被地面基站上的聚光望遠鏡接收到。潘建偉是這個項目的領導者，他自2003年以來一直在推進和籌措這個實驗項目。他將這個成就比作探測月球上一根火柴發出的單個光子。潘建偉認為，墨子號傳輸糾纏態光子的效率比「最好的通信光纖高萬億倍」，「我們做的工作是缺少墨子號就不可能做到的，而且未來5年，太空量子實驗項目會發射更多的量子通信實驗衛星。」

https://www.scientificamerican.com/article/china-shatters-ldquo-spooky-action-at-a-distance-rdquo-record-preps-for-quantum-internet/

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