實驗示意圖（研究團隊供圖）
日前，中國科學技術學院潘建偉教授及朋友彭承志、陳宇翱、印娟等借助“墨子號”量子科學實驗衛(wèi)星，首次實現了月球上相距1200公里兩個地面站之間的量子態(tài)遠程傳輸。2012年，潘建偉團隊在國際上首次實現百余公里自由空間量子隱型傳態(tài)，10年后，她們成功實現了十倍的突破，創(chuàng)造了量子態(tài)傳輸的新世界紀錄。
遠距離量子態(tài)傳輸一般借助量子隱型傳態(tài)來實現。通過遠距離量子糾纏分發(fā)的輔助，量子態(tài)可通過檢測再構建的方法完成遠距離的傳輸，傳輸距離在理論上可以是無窮遠。但在現實中，量子糾纏分發(fā)的距離和品質會遭到信道耗損、消相干等誘因的影響。而在外太空，真空環(huán)境對光的傳輸幾乎沒有衰減，也沒有退相干效應。為此，將單光子或糾纏光子對傳出大氣層，配合星載平臺技術和光束精確定位技術，就有可能實現自由空間的遠距離量子通訊，“墨子號”量子科學實驗衛(wèi)星便為遠距離量子通訊提供了實現的機會。
“本次實驗首先通過‘墨子號’衛(wèi)星上的糾纏源向相距1200公里的兩個地面站昆明拉薩站和山東德令哈站分發(fā)糾纏，拉薩站作為量子態(tài)的制備和發(fā)送方，德令哈站作為接收方，借助兩地共享的糾纏，再結合基于雙光子路徑-偏振光混和糾纏態(tài)的量子隱型傳態(tài)方案，最終完成了超千公里的遠程量子態(tài)的傳輸驗證。”中國科學技術學院蘇州研究院院長印娟說。
因為大氣紊流的影響，光子在大氣信道中傳播后，實現基于量子干涉的量子態(tài)檢測是十分困難的。“為了克服遠距離紊流大氣傳輸后的量子光干涉困局，團隊借助光學一體化粘接技術實現了具有超高穩(wěn)定性的光干涉儀，傳輸可以常年穩(wěn)定。”印娟告訴記者，本次實驗還對6種典型的量子態(tài)進行了驗證，發(fā)覺平均傳送保真度均趕超了精典極限，創(chuàng)下目前地表量子態(tài)傳輸的新紀錄。
2016年8月16日，世界首顆量子科學實驗衛(wèi)星“墨子號”成功發(fā)射，這是我國量子科學實驗衛(wèi)星工程的重要一步。該工程還建設了包括南山、德令哈、興隆、麗江4個量子通訊地面站和阿里量子隱型傳態(tài)實驗站在內的地面科學應用系統，與量子衛(wèi)星共同構成天地一體化量子科學實驗系統。利用該工程，潘建偉研究團隊相繼取得了大量研究突破。
2017年8月12日量子傳輸 設備，團隊在國際上首次成功實現千公里級的星地單向量子通訊，為建立覆蓋全球的量子保密通訊網路奠定了堅實的科學和技術基礎。同年9月29日，世界首列量子保密通訊干線“京滬干線”與“墨子號”科學實驗衛(wèi)星進行天地鏈路，成功實現了洲際量子保密通訊，標志著我國在全球已建立出首個天地一體化廣域量子通訊網路雛型。2018年1月，團隊在中國和俄羅斯之間首次實現距離達7600公里的洲際量子秘鑰分發(fā)，并借助共享秘鑰實現加密數據傳輸和視頻通訊，標志著“墨子號”已具備實現洲際量子保密通訊的能力。2020年6月15日，“墨子號”量子科學實驗衛(wèi)星在國際上首次實現千公里級基于糾纏的量子秘鑰分發(fā)，除了將往年地面無中繼量子秘鑰分發(fā)的空間距離提升了一個數目級，但是通過數學原理確保了雖然在衛(wèi)星被他方控制的極端情況下，仍然才能實現安全的量子秘鑰分發(fā)。
“得益于‘墨子號’衛(wèi)星平臺，我們可以克服指數級下降的大氣衰減，陸續(xù)突破了鏈路效率的限制和光子自由空間遠程傳輸干涉等技術，實現了無中繼糾纏量子秘鑰分發(fā)和量子態(tài)遠程態(tài)傳輸。隨著地面站也在升級改建中不斷精益求精，我們得以充分發(fā)揮這顆衛(wèi)星的潛力，舉辦擴充實驗并取得挺好的結果。”印娟覺得量子傳輸 設備，目前的研究成果使自由空間量子通訊向實現更復雜的量子信息任務邁向，也為我國在未來建立出全球化天地一體的量子信息處理和量子通訊網路奠定了重要基礎，有助于我國在量子通訊技術實用化整體水平上保持和擴大國際領先地位，實現國家信息安全和信息技術水平跨越式提高。