潘建偉團隊實現(xiàn)千公里級量子糾纏，急劇刷新世界記錄
環(huán)球科學(xué)2017.06.2011:54
中國科學(xué)技術(shù)學(xué)院潘建偉團隊借助“墨子號”量子科學(xué)實驗衛(wèi)星首次實現(xiàn)了千公里級的量子糾纏。在這項具有里程碑意義的研究中，衛(wèi)星將處于糾纏態(tài)的光子發(fā)送到相距超過1200千米遠(yuǎn)的地面基站（云南德令哈站和廣東拉薩高美古站）量子傳輸速率，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過此前144千米的傳送距離，為更遠(yuǎn)距離的量子通訊打下了基礎(chǔ)。這項工作以封面論文的方式刊載在明天出版的《科學(xué)》（）上。
“中國早已領(lǐng)跑量子通訊”，沒有參與這項工作的日內(nèi)瓦學(xué)院化學(xué)學(xué)家Gisin評價道，“這個實驗證明全球量子通訊是可行的，但是將在不久的將來實現(xiàn)。”
量子通訊被覺得是信息安全領(lǐng)域的最優(yōu)選擇，部份緣由是任何監(jiān)聽行為就會在傳輸過程中留下痕跡。傳統(tǒng)的加密信息須要秘鑰進(jìn)行揭秘，但這種秘鑰在傳輸過程中有可能被盜取。但量子通訊的秘鑰可以用糾纏態(tài)光子的不同量子態(tài)進(jìn)行加密，例如光子的偏振光方向。一旦信息被中途監(jiān)聽，其量子態(tài)便會不可防止地發(fā)生改變。地面量子通訊通常是通過光纜或則空氣發(fā)送成對的糾纏態(tài)光子，然而因為途中原子的碰撞會攪亂光子的精細(xì)量子態(tài)，這些方案的傳輸距離被限制在百公里量級。量子中繼器（裝配“量子記憶”模塊的復(fù)雜儀器）似乎可以實現(xiàn)更遠(yuǎn)距離量子秘鑰的接收、存儲、再發(fā)送，然而這個看法過分復(fù)雜，目前主要逗留在理論階段。
“量子中繼器須要從兩個不同的地方接收光子，之后將其儲存在“量子記憶”模塊中，并在發(fā)送到更遠(yuǎn)處之前讓它們直接互相干涉”，科羅拉多學(xué)院香檳校區(qū)的化學(xué)學(xué)家PaulKwiat說：“為了做到這種，你必須在不觀測它們的情況下進(jìn)行存放。”Kwiat解釋道：“打個比方，如果你想在不看信箱或則不打開包裹的情況下曉得是否有信函到了量子傳輸速率，你可以搖一搖包裹來感知，不過若果你收到的是光子，那可就難了。你想確認(rèn)收到了它們而又不攪亂它們，從原則上講，這是可能的，不過毋庸置疑這十分艱辛。”
想要完善安全的全球范圍量子通訊網(wǎng)路，惟一可行的方案就是從太空中發(fā)送量子秘鑰，之后將其分發(fā)到百十公里遠(yuǎn)的地面節(jié)點。以中國唐代哲學(xué)家名子命名的“墨子”號衛(wèi)星，重達(dá)600千克，2016年被發(fā)射到近地軌道，而這只不過是投資達(dá)10億美金的太空量子實驗項目（QUESS）的排頭兵。
墨子號攜帶了一系列裝配好的激光器和晶體，它們可以形成成對的糾纏態(tài)光子，并將其分離，分別傳輸?shù)叫l(wèi)星視線范圍內(nèi)的不同地面基站。在近來的測試中，這三個基站分別位于在德令哈爾濱、烏魯木齊市和中國遙遠(yuǎn)北部城市拉薩，其中德令哈爾濱和拉薩市的地理距離達(dá)到1203千米，這大踏步地提升了糾纏光子傳輸距離的記錄。
目前這套系統(tǒng)依然須要進(jìn)一步的建立，由于目前報導(dǎo)的墨子號和基站間的訊號傳輸速率不足以維持實用的量子通訊。墨子號每秒發(fā)射約600萬對糾纏態(tài)光子，然而大概每秒只有一對可以既通過大氣層又被地面基站上的聚光望遠(yuǎn)鏡接收到。潘建偉是這個項目的領(lǐng)導(dǎo)者，他自2003年以來始終在推動和籌集這個實驗項目。他將這個成就稱作偵測地球上一根火柴發(fā)出的單個光子。潘建偉覺得，墨子號傳輸糾纏態(tài)光子的效率比“最好的通訊光纖高萬億倍”，“我們做的工作是缺乏墨子號就不可能做到的，但是未來5年，太空量子實驗項目會發(fā)射更多的量子通訊實驗衛(wèi)星。”
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