中國(guó)墨子號(hào)衛(wèi)星首次實(shí)現(xiàn)1200公里量子糾纏，震驚國(guó)外專家

　　ICCSZ訊  在量子加密通信的研究領(lǐng)域，如何長(zhǎng)距離傳輸糾纏光子一直是個(gè)很大的難題。不過(guò)最近我國(guó)的科學(xué)家們，利用去年八月發(fā)射的墨子號(hào)量子衛(wèi)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 公里的云南麗江和青海德令哈地面站發(fā)送了糾纏光子對(duì)。

　　去年年底的某個(gè)晴朗的夜晚，一個(gè)綠色的星點(diǎn)出現(xiàn)在中緬邊界的地平線附近。正在麗江郊外觀測(cè)站的物理學(xué)家，中國(guó)科技大學(xué)教授陸朝陽(yáng)觀測(cè)到了這一現(xiàn)象，他說(shuō)：“這很像一個(gè)非常明亮的綠色星體。”

　　陸教授和他的同事們必須趕快采取行動(dòng)。因?yàn)槟莻€(gè)綠色星體其實(shí)是來(lái)自于 300 英里上空正在運(yùn)行的衛(wèi)星發(fā)出的一道激光，它就像一個(gè)燈塔預(yù)示著太空飛行器的位置。激光點(diǎn)在空中快速移動(dòng)著，10 分鐘后就會(huì)消失在地平線中。所以這個(gè)由中國(guó)的多個(gè)科學(xué)機(jī)構(gòu)研究者組成的團(tuán)隊(duì)，正在用望遠(yuǎn)鏡緊緊盯著這道綠光，努力捕捉著其中最重要的東西：這個(gè)衛(wèi)星上由特殊晶體制造的一種微妙的單一紅外光子。最終他們過(guò)濾掉綠光，鎖定了他們的“獵物”——一個(gè)過(guò)去從未發(fā)出射過(guò)的量子信號(hào)。

　　這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)是量子密碼這種新技術(shù)中的一次關(guān)鍵測(cè)試。量子密碼就是像光子這樣的量子傳輸安全信息的技術(shù)。但是眾所周知，脆弱的量子不易進(jìn)行傳遞，如果你試圖利用光纖來(lái)傳遞它們，超過(guò) 150 英里后，信號(hào)就會(huì)失效，這種性質(zhì)使得量子密碼在全國(guó)或者世界范圍內(nèi)傳遞消息時(shí)起不到什么作用。

　　所以科學(xué)家們一直在研究如何利用衛(wèi)星來(lái)進(jìn)行長(zhǎng)距離的量子傳送。但是在此之前，還沒(méi)有人做到如此遠(yuǎn)的距離。在這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)中，中國(guó)科學(xué)家在兩個(gè)相距 750 英里的地面站點(diǎn)和衛(wèi)星之間傳遞單一光子，創(chuàng)造了距離最遠(yuǎn)的新記錄(兩站分別是青海德令哈站和云南麗江高美古站，兩站距離1203公里)。參與這項(xiàng)工作的巴黎量子計(jì)算中心副主管 Eleni Diamanti 說(shuō)：“這個(gè)實(shí)驗(yàn)對(duì)擴(kuò)展遠(yuǎn)距離量子溝通網(wǎng)絡(luò)來(lái)講擁有里程碑式的意義，這毫無(wú)疑問(wèn)。”

　　去年 8 月，在戈壁灘的酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心，中國(guó)發(fā)射了造價(jià)一億美元的量子衛(wèi)星“墨子號(hào)”，專門用來(lái)進(jìn)行空間級(jí)別的量子實(shí)驗(yàn)。該衛(wèi)星上搭載了一套復(fù)雜的激光系統(tǒng)、反射鏡面系統(tǒng)和一中特殊的晶體，當(dāng)激光反射在晶體上時(shí)，它會(huì)創(chuàng)造出一對(duì)處于糾纏態(tài)的光子。晶體一次可以制造 6 百萬(wàn)對(duì)光子，但是地面上的兩個(gè)站點(diǎn)每秒只能探測(cè)到大約一對(duì)光子。陸教授說(shuō)：“這項(xiàng)任務(wù)非常具有挑戰(zhàn)性，類似于你在 300 米外觀察一根頭發(fā)。”

　　陸教授和他的同事們認(rèn)為，量子密碼技術(shù)會(huì)成為未來(lái)一種良好的加密工具，其工作原理是這樣的：首先，測(cè)量光子的性質(zhì)，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并將其發(fā)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(jù)測(cè)不準(zhǔn)理論，量子將會(huì)在竊取的瞬間改變密鑰數(shù)字。想象薛定諤的貓，當(dāng)你沒(méi)有觀察它時(shí)，它既生又死，而你一旦觀察它，它就會(huì)表現(xiàn)出生或者死的一個(gè)狀態(tài)。同樣的，偷竊的黑客會(huì)瞬間改變構(gòu)成密鑰的光子的狀態(tài)，所以理論上，在理想狀態(tài)下，這串密鑰絕對(duì)不會(huì)被竊取(現(xiàn)實(shí)中的硬件設(shè)備并不完美，探測(cè)器在探測(cè)連續(xù)單一光子時(shí)表現(xiàn)不佳，這可能讓我們誤以為信息被竊取了，黑客也可以通過(guò)發(fā)射強(qiáng)光來(lái)追蹤你的探測(cè)器)。

　　中國(guó)的量子衛(wèi)星發(fā)射和這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)是科研人員長(zhǎng)期努力的結(jié)果。負(fù)責(zé)這個(gè)項(xiàng)目的物理學(xué)家，中國(guó)科技大學(xué)教授潘建偉說(shuō)，衛(wèi)星實(shí)驗(yàn)的開(kāi)始可以追溯到2003年，他帶領(lǐng)的大約 100 人的團(tuán)隊(duì)從設(shè)計(jì)、建造到調(diào)整激光和衛(wèi)星系統(tǒng)付出了多年的努力。他們最初的實(shí)驗(yàn)是在地面上進(jìn)行的，起初只是在幾英里內(nèi)傳輸密鑰，后來(lái)慢慢開(kāi)始加大距離。

　　“但是他們?cè)谠擃I(lǐng)域的研究仍然是很快的。”加拿大滑鐵盧大學(xué)的物理學(xué) Thomas Jennewein 說(shuō)道(他最近完成了從地面到飛行中的飛機(jī)間的量子傳輸)。幾年前，Jennewein 在國(guó)際空間站上試圖完成相似的實(shí)驗(yàn)。他說(shuō)：“因?yàn)楦鞣N實(shí)驗(yàn)的復(fù)雜性、高昂的成本等等，那些項(xiàng)目沒(méi)有一個(gè)可以實(shí)現(xiàn)如此遠(yuǎn)的距離。但是中國(guó)團(tuán)隊(duì)現(xiàn)在做到了，他們走在了領(lǐng)域的前沿，這非常棒。”

　　杜克大學(xué)的中國(guó)科技政策研究專家 Denis Simon 說(shuō)：“他們之所以行動(dòng)如此快速，得益于中國(guó)政府對(duì)該項(xiàng)目的充分重視。因?yàn)橹袊?guó)政府領(lǐng)導(dǎo)希望完成這樣的實(shí)驗(yàn)，所以實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)無(wú)需在通常的官僚制度上浪費(fèi)時(shí)間。”中國(guó)政府對(duì)量子通信技術(shù)抱有極大的興趣，因?yàn)榱孔影踩ㄐ艑?duì)國(guó)家利益大有裨益。他說(shuō)道：“中國(guó)政府想將這種通信技術(shù)運(yùn)用在中國(guó)南海的海軍戰(zhàn)艦上，該技術(shù)的應(yīng)用還有很多。”

　　同時(shí)，其他國(guó)家的科學(xué)家也在進(jìn)行類似的實(shí)驗(yàn)，但是卻被很多官僚制度所束縛。比如 Diamanti 的團(tuán)隊(duì)還正在等待歐洲空間局對(duì)他們?cè)趪?guó)際空間站和歐洲幾個(gè)地面站點(diǎn)間傳遞量子實(shí)驗(yàn)申請(qǐng)的回復(fù)。伊利諾伊香檳分校的物理學(xué)家 Paul Kwiat 也正在領(lǐng)導(dǎo)美國(guó)的團(tuán)隊(duì)與 NASA 合作進(jìn)行相似的實(shí)驗(yàn)。

　　但是還沒(méi)有一個(gè)國(guó)家像中國(guó)一樣對(duì)量子通信有著宏偉的計(jì)劃。陸教授和他的團(tuán)隊(duì)正在計(jì)劃在一個(gè)新的更遠(yuǎn)的衛(wèi)星上實(shí)施同樣的實(shí)驗(yàn)，將量子通信的距離從城市間擴(kuò)展得到更遠(yuǎn)。他們想要在中國(guó)和奧地利(那里有一些合作伙伴)之間交換量子密鑰。潘建偉曾說(shuō)過(guò)，中國(guó)計(jì)劃在 2030 年打造一個(gè)覆蓋全球的量子衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)。陸教授說(shuō)：“我們是非常幸運(yùn)的，我們的成功得益于中國(guó)政府的快速?zèng)Q策系統(tǒng)，政治和科學(xué)的結(jié)合可以事半功倍。”