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选自 Nature

机器之心编译

参与:杜夏德、吴攀

中国准备发射世界上第一颗专为做量子实验设计的卫星。接下来可能还会有一支带有量子功能的飞船舰队。

前沿 | Nature:中国将发首颗量子通信卫星,或引发全球竞赛

首先,可能是更多的中国卫星,这将创造一个超级安全的通信网络,潜在地将世界上任一角落里的人联系起来。但是来自加拿大、日本、意大利和新加坡的团队也有量子空间实验的计划。

「我想可以肯定的是,一定会出现竞赛,」量子卫星团队成员中国科技大学的物理学家陆朝阳说。这个 600 公斤重的飞船是中国空间科学卫星的最新研究成果,将于 8 月在酒泉卫星发射中心发射。这个价值 1 亿美元的任务的合作者包括中国科学院和奥地利科学院。

量子通信很安全,因为它能检测到任何试图侵入的东西。通过共享编码在一串光子的极性中的加密密钥,两方可以秘密通信,任何窃听都会留下痕迹。

到目前为止,科学家们已经成功地证实了大约 300 公里的量子通信。穿过光纤和空气的光子会被散射或吸收,而且在放大信号的同时保留一个光子的脆弱的量子态是极其困难的。中国的研究人员希望通过在太空发射光子使他们能在更大的距离上进行通信,因为光子可以在太空中顺畅地旅行。

他们的卫星的核心是一个能够产生成对的纠缠光子的晶体,无论它们分开多远,其性质仍然能纠缠在一起。该飞船的第一个任务将是发送这些成对量子中的一方去往在北京和维也纳的地面站,并使用它们来生成密钥。

在这个为期两年的任务中,这个团队也计划去执行一个叫贝尔测试的统计测量,来证明这个纠缠可以存在于相隔1200公里的粒子之间。量子理论预测纠缠一直存在于任何距离,贝尔测试将会证明这个理论预测的正确性。

该小组还将尝试「瞬时传输(teleport)」量子状态:使用通过传统方式传输来的纠缠光子对及其所携带的信息,在一个新位置重建光子的量子状态。

「如果首颗卫星进展顺利,中国一定会发射更多的量子卫星,」陆朝阳说。他补充道,如果要在全世界范围内保障通信安全,大约需要 20 颗卫星。

而中国以外的量子卫星团队正在采取不同的策略。新加坡国立大学(NUS)与英国斯凯莱德大学(University of Strathclyde)的一个合作项目用的是 5 公斤重的廉价卫星——被称为 cubesats(立方体卫星)——来进行量子实验。去年这个团队发射了一个立方体卫星,并在轨道上创造并测量到了成对的「关联的」光子;该团队希望明年能发射一个能产生完全纠缠的光子对的设备。

领导这个团队的新加坡国立大学的物理学家 Alexander Ling 说:立方体卫星成本每个仅为 100,000 美元,能让量子通信更容易被获取。

一个加拿大的研究小组提出在地面上生成一对纠缠光子,然后将它们中某些发送到一个不到 30 公斤重的微型卫星上。这会比在太空中生成光子要便宜得多,加拿大量子加密和科学卫星(QEYSSat)团队成员、滑铁卢大学物理学家 Brendon Higgins 说,但将光子发射到移动的卫星上会是一个挑战。该团队计划先使用一个航天飞机上的光子接收器来测试这个系统。

做量子空间科学还有一个更简单的方法,该方法由 Paolo Villoresi 在意大利帕多瓦大学领导的团队开创,涉及到向普通卫星添加反射器和其它简单的设备。去年,这个团队展示了:从一个现有的卫星上反弹到地球的光子可以保持它们的量子状态,而且接收时仅带有错误率极低的量子密码(G. Vallone et al. Phys. Rev. Lett.115, 040502;2015)。研究人员还提出在国际空间站(ISS)内进行量子实验,该实验可同时纠缠两个不同性质的光子的状态,以使传输更可靠更有效。

来自伊利诺伊大学乌尔瓦纳分校、与 NASA 合作 ISS 项目的 Paul Kwiat 说:在使通信更安全的同时,这些卫星系统也标志着在迈向「量子互联网(quantum internet)」过程中的重要一步,这个量子互联网由世界各地的量子计算机构成,即量子计算云。

最终,太空中量子通信可能甚至允许研究者结合卫星上的光子做出一个带有地球那么大的有效孔径的分布式望远镜 ——它将拥有极其高的分辨率。「你不仅能看见行星,」Kwiat 说,「原理上讲还能看清木星的卫星上车牌。」

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