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证实了,“幽灵作用”延绵千里

2017-06-19 10:04 来源:科技日报

上图 6月15日,德令哈量子卫星地面站的科研人员李双林在整理实验数据。

  中图 6月15日,在乌鲁木齐南山观测站,“墨子号”量子科学实验卫星过境,科研人员在做实验(合成照片)。

  下图 美国《科学》杂志封面。

  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,美国《科学》杂志以封面论文形式,报道了中国“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离实用又近了一步。

  空间尺度上实现“鬼魅般的超距作用”

  由于量子纠缠非常脆弱,会随着光子在光纤内或者地表大气中的传输距离而衰减,以往的量子纠缠分发实验只停留在百公里的距离。量子纠缠“鬼魅般的超距作用”在更远的距离上是否仍然存在?会不会受到引力等其他因素的影响?这些基本物理问题的验证都需要实现上千公里甚至更远距离的纠缠分发;另一方面,要实现广域的量子网络也自然要求远距离的纠缠分发。

  理论上有两种途径可以扩展量子纠缠分发的距离。一种是利用量子中继,尽管量子中继的研究在近些年已取得了系列重要突破,但是目前仍然受到量子存储寿命和读出效率等因素的严重制约而无法实际应用于远程量子纠缠分发。另一种是利用卫星,因为星地间的自由空间信道损耗小,在远程量子通信中比光纤更具可行性,结合卫星的帮助,可以在全球尺度上实现超远距离的量子纠缠分发。

  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,目前量子密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。

  实验相当于“从地面上及时看到有人在月球上擦火柴”

  这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,卫星上的纠缠源载荷每秒产生800万个纠缠光子对,建立光链路可以以每秒1对的速度在地面超过1200公里的两个站之间建立量子纠缠,该量子纠缠的传输衰减仅仅是同样长度最低损耗地面光纤的一万亿分之一。

  但实验操作本身并不容易,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·林说:“这是一项非常具有挑战性的任务,也非常值得尝试。”这种方式对精度要求极高,好比有人在月球上擦一根火柴,在地面用望远镜必须及时捕捉到。

  5年内或出现真正实用“量子卫星”

  “在接下来的5年里,我们计划推出一些真正实用的量子卫星。”该项目负责人、中国科学院院士潘建伟说,“这项工作为未来开展大尺度量子网络和量子通信实验研究,以及开展外太空广义相对论、量子引力等物理学基本原理的实验检验奠定了可靠的技术基础。”

  潘建伟团队的成果迅速引起世界关注。

  美国麻省理工学院凯克极限量子信息理论中心主任塞思·劳埃德说:“这项实验表明远距离量子通信确实在技术上可行,让人们看到了在不久的未来构建远程量子通信的希望。”

  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塞林格表示,潘建伟团队证明“中国做出了正确的决定”,“我个人认为,未来的互联网将建立在量子理论的基础之上”。

  目前,世界各国也在加快其量子空间实验研发脚步: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。

  “‘墨子号’目前只能在夜间环境下工作”,潘建伟表示,除了量子纠缠分发实验外,“墨子号”量子科学实验卫星的其他重要科学实验任务,包括高速星地量子密钥分发、地星量子隐形传态等,也在紧张顺利地进行中,预计今年会有更多的科学成果陆续发布。他呼吁,为使我国的团队可以继续领跑世界,希望国家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,量子卫星通信的愿景愈发清晰。

(责任编辑:王蔚)

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