不可破解的量子網路將被送往太空

針對可用於量子加密的光子，

測試衛星在兩輪新測試中

創造了最長發射距離紀錄。

位於太空且不可破解的量子互聯網曾經只是個夢想，而現在或許將逐步成為現實，這要歸功於中國和歐洲的最新衛星試驗。

量子物理證明了存在一項十分奇異的現象——「糾纏」。在理論上，就其本質而言，兩個或多個互相連接或「糾纏」的粒子（例如光子）無論相隔多遠，均可同時影響對方。糾纏現象是量子計算機、能夠實現量子計算機互連的網路以及最為精細複雜的量子加密技術（理論上講，該加密技術是一種不存在被破解風險的信息傳輸方式）得以運轉的核心。

2012年，中國科技大學（位於合肥）的量子物理學家潘建偉及其同事共同創造了量子糾纏的傳輸距離紀錄，一個位於中國青海湖一側的粒子，對位於湖面另一側、相距101.8千米的粒子產生了影響。但是，糾纏現象極易受環境干擾，阻礙了在地球上實現更長傳輸距離的可能。

現在，潘建偉教授與其同事用衛星連接了地球上距離相隔1203千米的站點，又創造了一項關於糾纏現象的最新紀錄。研究人員介紹，選擇將太空作為測試場所的優勢在於，糾纏光子所遇到的絕大部分干擾均來自距離地球表面10千米左右的大氣區域；超過10千米的高度之後，光子幾乎不受任何影響。

2016年，研究人員在中國酒泉發射了量子科學實驗衛星（又稱「墨子號」）。墨子號以約28800千米/小時（距地面高度約500千米）的速度繞地球飛行。潘建偉教授表示：「通過地面可行性研究，我們逐步開發出了量子科學衛星所必需的工具。」

本次試驗涉及墨子號與中國三大地面接收站之間的通信過程。傳輸器和接收器中的信標激光幫助各設備進行相互鎖定。

墨子號能夠生成處於糾纏狀態的光子對，然後將光子對分離，通過光束將各光子分別發送至獨立的地面接收站。衛星與地面接收站之間的距離為500至2000千米不等。

墨子號的光子束在德令哈市和麗江市接收站之間的傳輸距離破了紀錄。本次試驗傳輸糾纏光子的效率，是光纖最優傳輸效率的10億億倍。潘建偉教授表示：「我們終於成功將糾纏現象引入太空，並建立了規模更大的量子光學實驗室，為量子網路提供了一個新平台，可幫助我們探測量子力學與重力的相互影響。」

本次試驗每秒可產生約590萬組糾纏光子對，但研究人員每秒僅可探測到1組左右。潘建偉教授的團隊預期，在「未來的5年內」，探測率將實現千倍的增長。潘建偉教授還指出，當前糾纏光子對的傳輸速度，僅接近極其簡單文本的量子加密的要求；5年之後，衛星網路與地面接收站之間將能夠實現兆赫級別的傳輸頻率。

在另一份研究中，來自德國的研究人員發現，對於衛星發射的量子激光信號，他們測量到的最長傳輸距離為38600千米。這份研究表明，對於量子加密技術形式較為簡易且不依靠糾纏現象的量子網路，衛星也可發揮作用。

來自馬克思?普朗克光學所（位於德國埃爾朗根）的量子物理學家克里斯托弗?馬夸特（Christoph Marquardt）與其同事對Alphasat I-XL衛星（位於靜止軌道之內）進行了試驗。Alphasat通過激光信號實現了與位於西班牙特內里費島泰德峰天文台的地面接收站的通信。

馬夸特指出，他們試驗的激光通信技術目前已在太空實現了商業應用。他認為，這一成果連同他和同事所獲取的成功試驗結果表明，不依靠糾纏現象的量子網路「最快將在5年內建設完成」。

馬夸特表示，糾纏現象可以實現更複雜的防竊聽策略，但他同時表示：「而我們的方法，只需進行相對小規模的升級，即可獲得經得住考驗的技術。」

上述德國研究人員正與衛星通信公司Tesat-Spacecom等公司合作，設計量子網路。馬夸特表示，儘管該量子網路將以已部署於太空之中的硬體為基礎，但其仍需進行部分升級，例如安裝隨機數生成器等。

作者：CharlesQ. Choi

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