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潘建伟团队实现千公里级量子纠缠,大幅刷新世界记录

时间: 2017年06月20日 | 作者: Lee Billings | 来源: 未知
“墨子号”卫星成功将处于纠缠态的光子发送到相距超过1200千米远的地面基站。

 

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中国科学技术大学潘建伟团队利用“墨子号”量子科学实验卫星首次实现了千公里级的量子纠缠。在这项具有里程碑意义的研究中,卫星将处于纠缠态的光子发送到相距超过1200千米远的地面基站(青海德令哈站和云南丽江高美古站),远远超过此前144千米的传送距离,为更远距离的量子通信打下了基础。这项工作以封面论文的形式刊登在今天出版的《科学》(Science)上。

 

“中国已经领跑量子通信”,没有参与这项工作的日内瓦大学物理学家Nicolas Gisin评价道,“这个实验证明全球量子通信是可行的,而且将在不久的将来实现。”

 

量子通信被认为是信息安全领域的最优选择,部分原因是任何窃听行为都会在传输过程中留下痕迹。传统的加密信息需要密钥进行解密,但这些密钥在传输过程中有可能被窃取。但量子通信的密钥可以用纠缠态光子的不同量子态进行加密,比如光子的偏振方向。一旦信息被中途窃听,其量子态便会不可避免地发生改变。地面量子通信一般是通过光缆或者空气发送成对的纠缠态光子,但是由于途中原子的碰撞会扰乱光子的精细量子态,这种方案的传输距离被限制在百公里量级。量子中继器(装配“量子记忆”模块的复杂仪器)或许可以实现更远距离量子密钥的接收、存储、再发送,但是这个想法过于复杂,目前主要停留在理论阶段。

 

“量子中继器需要从两个不同的地方接收光子,然后将其储存在“量子记忆”模块中,并在发送到更远处之前让它们直接相互干涉”,伊利诺伊大学香槟分校的物理学家Paul Kwiat说:“为了做到这些,你必须在不观测它们的情况下进行储存。”Kwiat解释道:“打个比方,假如你想在不看信箱或者不打开包裹的情况下知道是否有信件到了,你可以摇一摇包裹来感知,不过如果你收到的是光子,那可就难了。你想确认收到了它们而又不扰乱它们,从原则上讲,这是可能的,不过毋庸置疑这非常艰难。”

 

想要建立安全的全球范围量子通信网络,唯一可行的方案就是从太空中发送量子密钥,然后将其分发到百十公里远的地面节点。以中国古代哲学家名字命名的“墨子”号卫星,重达600千克,2016年被发射到近地轨道,而这只不过是投资达10亿美元的太空量子实验项目(QUESS)的排头兵。

 

墨子号携带了一系列装配好的激光器和晶体,它们可以产生成对的纠缠态光子,并将其分离,分别传输到卫星视线范围内的不同地面基站。在最近的测试中,这三个基站分别坐落在德令哈市、乌鲁木齐市和中国遥远南部城市丽江,其中德令哈市和丽江市的地理距离达到1203千米,这大踏步地提高了纠缠光子传输距离的记录。

 

目前这套系统仍然需要进一步的完善,因为目前报道的墨子号和基站间的信号传输速度不足以维持实用的量子通信。墨子号每秒发射约600万对纠缠态光子,但是大约每秒只有一对可以既通过大气层又被地面基站上的聚光望远镜接收到。潘建伟是这个项目的领导者,他自2003年以来一直在推进和筹措这个实验项目。他将这个成就比作探测月球上一根火柴发出的单个光子。潘建伟认为,墨子号传输纠缠态光子的效率比“最好的通信光纤高万亿倍”,“我们做的工作是缺少墨子号就不可能做到的,而且未来5年,太空量子实验项目会发射更多的量子通信实验卫星。”

 

原文链接:

https://www.scientificamerican.com/article/china-shatters-ldquo-spooky-action-at-a-distance-rdquo-record-preps-for-quantum-internet/


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