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“墨子号”量子卫星实现1203公里光子纠缠

导读: 升空整整10个月之后,“墨子号”终于再次传来好消息,当地时间6月15日,《Nature》杂志头版刊登出了中国“墨子号”量子卫星首次实现上千公里量子纠缠的消息,相较于此前144公里的最高量子传输距离纪录,这次跨越意味着绝对安全的量子通信又进一步贴近了实用。

升空整整10个月之后,“墨子号”终于再次传来好消息,当地时间6月15日,《Nature》杂志头版刊登出了中国“墨子号”量子卫星首次实现上千公里量子纠缠的消息,相较于此前144公里的最高量子传输距离纪录,这次跨越意味着绝对安全的量子通信又进一步贴近了实用。

“墨子号”量子卫星实现1203公里光子纠缠

图丨《Nature》杂志封面

根据了解,此次接收量子信号的两个地面站分别是青海德令哈站和云南丽江高美古站,两地相距1203公里,卫星的工作高度约为500公里。而在每晚仅有5分钟的时间窗口期间之内,研究团队要保证做到两地可以同时接收到卫星所发出来的信号,功夫不负有心人,此次试验取得圆满成功。

而实际上,“墨子号”的高超能力从研制开始就已经显现出来了,当时就已经实现了每秒一次量子纠缠的效率,比原有的预期要快了10倍。而“墨子号”团队的负责人潘建伟也表示,他们已经启动运用量子纠缠技术创建密钥的相关实验了,不过他们暂时并不准备对外公布实验结果。

“墨子号”量子卫星实现1203公里光子纠缠

图丨量子卫星的工作示意

长期以来,量子纠缠作为一种神秘现象始终被局限于物理的研究领域,它具体表现为量子进入一种叠加状态,即其量子特征在同一时间处于不同状态。像薛定谔的猫一样,在同一时间可能存在生和死两种状态。物理学家已经成功实现了多种粒子的纠缠,比如电子和光子,以及超导电路这类大规模应用。

理论上说,即使处于纠缠态的物体被分开,它们的不稳定的量子态仍然保持某种联系,直到其中一个被测量或被扰乱。人为测量可以同步决定了另一个的状态,无论距离多远,这一结论都会奏效。虽然想法看上去很违反常识,甚至连爱因斯坦都曾评价它是“遥远的幽灵活动”(spooky action at a distance)。

“墨子号”量子卫星实现1203公里光子纠缠

然而,从20世纪70年代开始,物理学家开始研究增加距离可能会带来的影响。在2015年进行过一项非常复杂的实验,对相隔1.3公里处于纠缠态的电子进行测量,验证了这种“远距离的幽灵活动”是真实存在的。

除了基础理论研究,量子纠缠特性最重要的还在于广阔的应用前景,其中最重要的当属防范黑客、提升保密的安全等级。长距离的量子纠缠是安全通信的“量子钥匙”。任何对加密信息的破解尝试都会对分享的钥匙产生干扰,进而提醒通讯者注意自己的信息安全。

“墨子号”量子卫星实现1203公里光子纠缠

但棘手的问题在于,纠缠态的量子会在通过空气等介质的时候急剧衰减。所以,目前量子秘钥的最长距离也就只有几百公里。作为解决办法,量子中继器(Quantum repeaters)能够通过放大量子信号的方式延展网络的覆盖范围,但这一技术尚未成熟。许多物理学家于是梦想通过卫星在几乎真空的太空环境中传输量子信号。

“当你有卫星在全球范围内传输信号的时候,一切就都不成问题了。”西班牙国家研究所的科学家 Verónica Fernández Mármol 表示,“量子卫星的跨越使得我们在光纤传输中遇到的所有问题都迎刃而解。”

“墨子号”量子卫星实现1203公里光子纠缠

图丨西班牙科学家 Verónica Fernández Mármol

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