中國(guó)將發(fā)首顆量子通信衛(wèi)星，未來(lái)或組量子飛船艦隊(duì)

中國(guó)準(zhǔn)備發(fā)射世界上第一顆專為做量子實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的衛(wèi)星。接下來(lái)可能還會(huì)有一支帶有量子功能的飛船艦隊(duì)。

首先，可能是更多的中國(guó)衛(wèi)星，這將創(chuàng)造一個(gè)超級(jí)安全的通信網(wǎng)絡(luò)，潛在地將世界上任一角落里的人聯(lián)系起來(lái)。但是來(lái)自加拿大、日本、意大利和新加坡的團(tuán)隊(duì)也有量子空間實(shí)驗(yàn)的計(jì)劃。

「我想可以肯定的是，一定會(huì)出現(xiàn)競(jìng)賽，」量子衛(wèi)星團(tuán)隊(duì)成員中國(guó)科技大學(xué)的物理學(xué)家陸朝陽(yáng)說(shuō)。這個(gè) 600 公斤重的飛船是中國(guó)空間科學(xué)衛(wèi)星的最新研究成果，將于 8 月在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心發(fā)射。這個(gè)價(jià)值 1 億美元的任務(wù)的合作者包括中國(guó)科學(xué)院和奧地利科學(xué)院。

量子通信很安全，因?yàn)樗軝z測(cè)到任何試圖侵入的東西。通過(guò)共享編碼在一串光子的極性中的加密密鑰，兩方可以秘密通信，任何竊聽(tīng)都會(huì)留下痕跡。

到目前為止，科學(xué)家們已經(jīng)成功地證實(shí)了大約 300 公里的量子通信。穿過(guò)光纖和空氣的光子會(huì)被散射或吸收，而且在放大信號(hào)的同時(shí)保留一個(gè)光子的脆弱的量子態(tài)是極其困難的。中國(guó)的研究人員希望通過(guò)在太空發(fā)射光子使他們能在更大的距離上進(jìn)行通信，因?yàn)楣庾涌梢栽谔罩许槙车芈眯小?/p>

他們的衛(wèi)星的核心是一個(gè)能夠產(chǎn)生成對(duì)的糾纏光子的晶體，無(wú)論它們分開(kāi)多遠(yuǎn)，其性質(zhì)仍然能糾纏在一起。該飛船的第一個(gè)任務(wù)將是發(fā)送這些成對(duì)量子中的一方去往在北京和維也納的地面站，并使用它們來(lái)生成密鑰。

在這個(gè)為期兩年的任務(wù)中，這個(gè)團(tuán)隊(duì)也計(jì)劃去執(zhí)行一個(gè)叫貝爾測(cè)試的統(tǒng)計(jì)測(cè)量，來(lái)證明這個(gè)糾纏可以存在于相隔1200公里的粒子之間。量子理論預(yù)測(cè)糾纏一直存在于任何距離，貝爾測(cè)試將會(huì)證明這個(gè)理論預(yù)測(cè)的正確性。

該小組還將嘗試「瞬時(shí)傳輸(teleport)」量子狀態(tài)：使用通過(guò)傳統(tǒng)方式傳輸來(lái)的糾纏光子對(duì)及其所攜帶的信息，在一個(gè)新位置重建光子的量子狀態(tài)。

「如果首顆衛(wèi)星進(jìn)展順利，中國(guó)一定會(huì)發(fā)射更多的量子衛(wèi)星，」陸朝陽(yáng)說(shuō)。他補(bǔ)充道，如果要在全世界范圍內(nèi)保障通信安全，大約需要 20 顆衛(wèi)星。

而中國(guó)以外的量子衛(wèi)星團(tuán)隊(duì)正在采取不同的策略。新加坡國(guó)立大學(xué)(NUS)與英國(guó)斯凱萊德大學(xué)(University of Strathclyde)的一個(gè)合作項(xiàng)目用的是 5 公斤重的廉價(jià)衛(wèi)星——被稱為 cubesats(立方體衛(wèi)星)——來(lái)進(jìn)行量子實(shí)驗(yàn)。去年這個(gè)團(tuán)隊(duì)發(fā)射了一個(gè)立方體衛(wèi)星，并在軌道上創(chuàng)造并測(cè)量到了成對(duì)的「關(guān)聯(lián)的」光子;該團(tuán)隊(duì)希望明年能發(fā)射一個(gè)能產(chǎn)生完全糾纏的光子對(duì)的設(shè)備。

領(lǐng)導(dǎo)這個(gè)團(tuán)隊(duì)的新加坡國(guó)立大學(xué)的物理學(xué)家 Alexander Ling 說(shuō)：立方體衛(wèi)星成本每個(gè)僅為 100,000 美元，能讓量子通信更容易被獲取。

一個(gè)加拿大的研究小組提出在地面上生成一對(duì)糾纏光子，然后將它們中某些發(fā)送到一個(gè)不到 30 公斤重的微型衛(wèi)星上。這會(huì)比在太空中生成光子要便宜得多，加拿大量子加密和科學(xué)衛(wèi)星(QEYSSat)團(tuán)隊(duì)成員、滑鐵盧大學(xué)物理學(xué)家 Brendon Higgins 說(shuō)，但將光子發(fā)射到移動(dòng)的衛(wèi)星上會(huì)是一個(gè)挑戰(zhàn)。該團(tuán)隊(duì)計(jì)劃先使用一個(gè)航天飛機(jī)上的光子接收器來(lái)測(cè)試這個(gè)系統(tǒng)。

做量子空間科學(xué)還有一個(gè)更簡(jiǎn)單的方法，該方法由 Paolo Villoresi 在意大利帕多瓦大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)開(kāi)創(chuàng)，涉及到向普通衛(wèi)星添加反射器和其它簡(jiǎn)單的設(shè)備。去年，這個(gè)團(tuán)隊(duì)展示了：從一個(gè)現(xiàn)有的衛(wèi)星上反彈到地球的光子可以保持它們的量子狀態(tài)，而且接收時(shí)僅帶有錯(cuò)誤率極低的量子密碼(G. Vallone et al. Phys. Rev. Lett.115, 040502;2015)。研究人員還提出在國(guó)際空間站(ISS)內(nèi)進(jìn)行量子實(shí)驗(yàn)，該實(shí)驗(yàn)可同時(shí)糾纏兩個(gè)不同性質(zhì)的光子的狀態(tài)，以使傳輸更可靠更有效。

來(lái)自伊利諾伊大學(xué)烏爾瓦納分校、與 NASA 合作 ISS 項(xiàng)目的 Paul Kwiat 說(shuō)：在使通信更安全的同時(shí)，這些衛(wèi)星系統(tǒng)也標(biāo)志著在邁向「量子互聯(lián)網(wǎng)(quantum internet)」過(guò)程中的重要一步，這個(gè)量子互聯(lián)網(wǎng)由世界各地的量子計(jì)算機(jī)構(gòu)成，即量子計(jì)算云。

最終，太空中量子通信可能甚至允許研究者結(jié)合衛(wèi)星上的光子做出一個(gè)帶有地球那么大的有效孔徑的分布式望遠(yuǎn)鏡 ——它將擁有極其高的分辨率?！改悴粌H能看見(jiàn)行星，」Kwiat 說(shuō)，「原理上講還能看清木星的衛(wèi)星上車牌?！?/p>