中国将要发射的量子卫星将会是量子网络的一个重大进步|《自然》新闻
图片来源：新华社
原文作者：Elizabeth Gibney
中国准备发射全球首个量子科学实验卫星。未来或将有更多量子卫星发射升空。
中国可能让更多卫星可能率先升空，它们将共同形成超级安全的通信网络，有望将世界各地的人们连接起来。但是，加拿大、日本、意大利和新加坡的团队也在计划开展量子空间实验。
“我确信各国将展开竞赛，”陆朝阳说。他是位于合肥的中国科学技术大学的物理学家，参与了此次中国量子科学实验卫星项目。这颗重达600公斤的卫星是中国空间科学卫星系列最新的一颗，将于8月在酒泉卫星发射中心发射。这项耗资1亿美元的任务由中国科学院和奥地利科学院合作进行。
量子通信非常安全，因为任何干扰都有迹可循。比如说，通过共享以一长串光子偏振加密的密钥，双方能够实现秘密安全的通信，任何偷听行为都将留下痕迹。
截至目前，科学家已成功演示最长距离达300公里的量子通信。在光纤和空气中传播的光子会发生散射或被吸收，要放大信号并同时保留光子脆弱的量子态极为困难。因为光子在太空中可以更流畅地传输，中国的研究人员希望在太空中传输光子。
中国将发射的卫星的核心是一个能够产生纠缠光子对的晶体，这些光子对无论相距多远，它们的属性仍然保持纠缠。卫星的首个任务是向北京和维也纳的地面站发射这些纠缠光子对，使用它们生成密钥。
这项任务为期两年，任务团队还计划在此期间执行名为贝尔测试的统计测量，以证明相距1200公里的粒子之间存在纠缠。虽然量子理论预测任何距离之间都存在纠缠，但贝尔测试将实际验证它。
团队也将尝试“隐形传输”量子态，通过使用纠缠光子对以及以更加常规方式传输的信息，在新的位置重构光子的量子态。
“如果首发顺利，中国必将发射更多卫星，”陆朝阳说。他还补充道，若要实现覆盖全球的安全通信网络，大约需要20颗卫星。
其他国家的团队则另有打算。新加坡国立大学和英国斯特拉斯克莱德大学合作使用便宜的5公斤卫星（被称为立方体卫星）开展量子实验。去年，该团队发射了一颗立方体卫星，在轨道中产生并测量“关联”光子对；他们希望在明年发射可以产生完全纠缠光子对的装备。
立方体卫星单个耗费仅10万美元，使太空量子通信易于实现，新加坡国立大学物理学家 Alexander Ling 说，他是上述项目的负责人。
一支加拿大团队提出在地面生成纠缠光子对，然后将其中部分发射至重量不到30公斤的微型卫星上。这比在太空生成光子便宜，滑铁卢大学物理学家 Brendon Higgins 说，他是加拿大量子加密与科学卫星(QEYSSat)团队成员。但是，将光子发送到运动的卫星上将是一项挑战。该团队计划首先在飞机上使用光子接收器测试该系统。
还有另外一种更简单的量子空间科学实验方法，是将反射镜和其他简单设备添加到普通卫星上，它由意大利帕多瓦大学 Paolo Villoresi 领导的一支团队首创。去年该团队表示，从现存卫星反弹回地球的光子保留了量子态，而且接收错误率很低，足以用于量子加密(G. Vallone et al. Phys. Rev. Lett. 115, 040502; 2015)。研究人员表示，原则上，该方法可用于生成密钥，虽然速度比更为精密复杂的设置慢。
研究人员还提议在国际空间站（ISS）上进行量子实验，同步纠缠光子两种不同属性的状态——这种技术被称为超纠缠，以便使隐形传输更可靠、更有效。
这些卫星系统不仅使通信更加安全，而且也标志着向由量子计算机组成的覆盖全球的“量子互联网”或量子计算云迈出了一大步，伊利诺伊大学香槟分校物理学家 Paul Kwiat 说，他正与NASA合作开展ISS项目。
量子互联网或涉及综合使用基于卫星和地面的连接，位于维也纳的奥地利科学院物理学家 Anton Zeilinger 说，他在未能争取到实施欧洲量子卫星项目后加入了中国团队。目前这方面仍面临一些挑战。举例来说，物理学家需要寻找方法让卫星相互之间可以直接通信；改进纠缠不同来源光子的方法；使单光子的数据传输速率由每秒兆位提高到每秒千兆位。
Zeilinger 说，如果中国团队取得成功，那么其他团队将更容易获得对量子卫星的资助。美国在这一方面的太空竞赛中表现相对低调，但是 Zeilinger认为，美国可能侧重于一些尚属机密的工作。
最终，空间量子隐形传输甚至可以让研究人员将来自卫星的光子结合起来制造分布式望远镜，有效口径可达地球大小，分辨率极高。“你不仅仅能够看到行星，”Kwiat说，“原则上来讲，就是木星的卫星上有个车牌都能看清。”（完）
Chinese satellite is one giant step for the quantum internet
Nature | doi:10.1038/535478a
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