最新进展 | 不可破解的量子网络将被送往太空

针对可用于量子加密的光子，

测试卫星在两轮新测试中

创造了最长发射距离纪录。 

位于太空且不可破解的量子互联网曾经只是个梦想，而现在或许将逐步成为现实，这要归功于中国和欧洲的最新卫星试验。

量子物理证明了存在一项十分奇异的现象——“纠缠”。在理论上，就其本质而言，两个或多个互相连接或“纠缠”的粒子（例如光子）无论相隔多远，均可同时影响对方。纠缠现象是量子计算机、能够实现量子计算机互连的网络以及最为精细复杂的量子加密技术（理论上讲，该加密技术是一种不存在被破解风险的信息传输方式）得以运转的核心。

2012年，中国科技大学（位于合肥）的量子物理学家潘建伟及其同事共同创造了量子纠缠的传输距离纪录，一个位于中国青海湖一侧的粒子，对位于湖面另一侧、相距101.8千米的粒子产生了影响。但是，纠缠现象极易受环境干扰，阻碍了在地球上实现更长传输距离的可能。

现在，潘建伟教授与其同事用卫星连接了地球上距离相隔1203千米的站点，又创造了一项关于纠缠现象的最新纪录。研究人员介绍，选择将太空作为测试场所的优势在于，纠缠光子所遇到的绝大部分干扰均来自距离地球表面10千米左右的大气区域；超过10千米的高度之后，光子几乎不受任何影响。

2016年，研究人员在中国酒泉发射了量子科学实验卫星（又称“墨子号”）。墨子号以约28800千米/小时（距地面高度约500千米）的速度绕地球飞行。潘建伟教授表示：“通过地面可行性研究，我们逐步开发出了量子科学卫星所必需的工具。”

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本次试验涉及墨子号与中国三大地面接收站之间的通信过程。传输器和接收器中的信标激光帮助各设备进行相互锁定。

墨子号能够生成处于纠缠状态的光子对，然后将光子对分离，通过光束将各光子分别发送至独立的地面接收站。卫星与地面接收站之间的距离为500至2000千米不等。

墨子号的光子束在德令哈市和丽江市接收站之间的传输距离破了纪录。本次试验传输纠缠光子的效率，是光纤最优传输效率的10亿亿倍。潘建伟教授表示：“我们终于成功将纠缠现象引入太空，并建立了规模更大的量子光学实验室，为量子网络提供了一个新平台，可帮助我们探测量子力学与重力的相互影响。”

本次试验每秒可产生约590万组纠缠光子对，但研究人员每秒仅可探测到1组左右。潘建伟教授的团队预期，在“未来的5年内”，探测率将实现千倍的增长。潘建伟教授还指出，当前纠缠光子对的传输速度，仅接近极其简单文本的量子加密的要求；5年之后，卫星网络与地面接收站之间将能够实现兆赫级别的传输频率。

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在另一份研究中，来自德国的研究人员发现，对于卫星发射的量子激光信号，他们测量到的最长传输距离为38600千米。这份研究表明，对于量子加密技术形式较为简易且不依靠纠缠现象的量子网络，卫星也可发挥作用。

来自马克思•普朗克光学所（位于德国埃尔朗根）的量子物理学家克里斯托弗•马夸特（Christoph Marquardt）与其同事对Alphasat I-XL卫星（位于静止轨道之内）进行了试验。Alphasat通过激光信号实现了与位于西班牙特内里费岛泰德峰天文台的地面接收站的通信。

马夸特指出，他们试验的激光通信技术目前已在太空实现了商业应用。他认为，这一成果连同他和同事所获取的成功试验结果表明，不依靠纠缠现象的量子网络“最快将在5年内建设完成”。

马夸特表示，纠缠现象可以实现更复杂的防窃听策略，但他同时表示：“而我们的方法，只需进行相对小规模的升级，即可获得经得住考验的技术。”

上述德国研究人员正与卫星通信公司Tesat-Spacecom等公司合作，设计量子网络。马夸特表示，尽管该量子网络将以已部署于太空之中的硬件为基础，但其仍需进行部分升级，例如安装随机数生成器等。

作者：CharlesQ. Choi

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