中國墨子號衛星首次實現1200公里量子糾纏，震驚國外專家

在量子加密通信的研究領域，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家們，利用去年八月發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 公里的雲南麗江和青海德令哈地面站發送了糾纏光子對。

本文由雷鋒網編譯。

去年年底的某個晴朗的夜晚，一個綠色的星點出現在中緬邊界的地平線附近。正在麗江郊外觀測站的物理學家，中國科技大學教授陸朝陽觀測到了這一現象，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採取行動。因為那個綠色星體其實是來自於 300 英里上空正在運行的衛星發出的一道激光，它就像一個燈塔預示著太空飛行器的位置。激光點在空中快速移動著，10 分鐘後就會消失在地平線中。所以這個由中國的多個科學機構研究者組成的團隊，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：這個衛星上由特殊晶體製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」——一個過去從未發出射過的量子信號。

這項實驗是量子密碼這種新技術中的一次關鍵測試。量子密碼就是像光子這樣的量子傳輸安全信息的技術。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 英里後，信號就會失效，這種性質使得量子密碼在全國或者世界範圍內傳遞消息時起不到什麼作用。

所以科學家們一直在研究如何利用衛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，中國科學家在兩個相距 750 英里的地面站點和衛星之間傳遞單一光子，創造了距離最遠的新記錄（兩站分別是青海德令哈站和雲南麗江高美古站，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路來講擁有里程碑式的意義，這毫無疑問。」

去年 8 月，在戈壁灘的酒泉衛星發射中心，中國發射了造價一億美元的量子衛星「墨子號」，專門用來進行空間級別的量子實驗。該衛星上搭載了一套複雜的激光系統、反射鏡面系統和一中特殊的晶體，當激光反射在晶體上時，它會創造出一對處於糾纏態的光子。晶體一次可以製造 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：「這項任務非常具有挑戰性，類似於你在 300 米外觀察一根頭髮。」

陸教授和他的同事們認為，量子密碼技術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，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並將其發送給特定的接收者。如果黑客想要在傳輸中竊取這串密鑰，根據測不準理論，量子將會在竊取的瞬間改變密鑰數字。想像薛定諤的貓，當你沒有觀察它時，它既生又死，而你一旦觀察它，它就會表現出生或者死的一個狀態。同樣的，偷竊的黑客會瞬間改變構成密鑰的光子的狀態，所以理論上，在理想狀態下，這串密鑰絕對不會被竊取（現實中的硬體設備並不完美，探測器在探測連續單一光子時表現不佳，這可能讓我們誤以為信息被竊取了，黑客也可以通過發射強光來追蹤你的探測器）。

中國的量子衛星發射和這項實驗是科研人員長期努力的結果。負責這個項目的物理學家，中國科技大學教授潘建偉說，衛星實驗的開始可以追溯到2003年，他帶領的大約 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。他們最初的實驗是在地面上進行的，起初只是在幾英里內傳輸密鑰，後來慢慢開始加大距離。

「但是他們在該領域的研究仍然是很快的。」加拿大滑鐵盧大學的物理學 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：「因為各種實驗的複雜性、高昂的成本等等，那些項目沒有一個可以實現如此遠的距離。但是中國團隊現在做到了，他們走在了領域的前沿，這非常棒。」

杜克大學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，得益於中國政府對該項目的充分重視。因為中國政府領導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運用在中國南海的海軍戰艦上，該技術的應用還有很多。」

同時，其他國家的科學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。伊利諾伊香檳分校的物理學家 Paul Kwiat 也正在領導美國的團隊與 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（那裡有一些合作夥伴）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星通信網路。陸教授說：「我們是非常幸運的，我們的成功得益於中國政府的快速決策系統，政治和科學的結合可以事半功倍。」

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