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中国“墨子号”量子卫星首次实现千公里量级量子纠缠

时间:2017年06月19日 信息来源:观察者网 点击: 【字体:

新华社6月16日消息,中国科学家15日(当地时间)在美国《科学》杂志上报告说,中国“墨子号”量子卫星在世界上首次实现千公里量级的量子纠缠,这意味着量子通信向实用迈出一大步。

这一消息目前登上了“自然科学”网站(www.nature.com)的头条,并使外国专家感到震惊。此前的量子传输距离纪录是144公里。

自然科学网头版截图(6月16日上午)

报道称,中国量子卫星克服了超安全通信的主要障碍。量子卫星探针实现了创纪录的远距离量子纠缠,这能够实现基于量子技术下的数据加密传输。发射后仅仅数月,世界上首颗量子通信卫星就已经达到了它最具雄心的目标之一。

中国研究人员在《科学》杂志发表报告称,通过两个地面站点和卫星之间发射量子,他们在千公里级别上距离实现了量子纠缠。这一技术是未来绝对安全的量子通信技术的基础技术。参与这次实验的两个地面站分别是青海德令哈站和云南丽江高美古站,两站距离1203公里。

这次重要实验是在去年年底完成的,而此前的传输距离纪录为144公里。“墨子”号卫星是2016年8月发射的。从百公里到千公里,中国“墨子号”量子卫星将量子纠缠分发的世界纪录提高了一个数量级。

研究团队每晚只有5分钟的时间窗口,此时卫星轨道高度大约500公里,其信号能够同时被两个地面站接收。在卫星发射伊始,他们就已经能够实现每秒进行一次量子纠缠,这一速率比他们预期快了10倍。

中国“墨子”团队负责人潘建伟表示,他们已经开始实验运用量子纠缠技术创建密钥,以实现天地间的信息瞬时传输。不过潘建伟说,暂时并不准备对外公布实验结果。

登上美国《科学》杂志封面

新华社报道称,6月15日发布的美国《科学》杂志封面上,“墨子号”从星空向地面发出两道光,宛如两条长腿跨出一大步,也象征量子通信向实用迈近一大步。杂志刊发了中国科学技术大学教授、量子卫星项目首席科学家潘建伟等人的论文。

量子纠缠是奇特的量子力学现象。通俗地说,两个处于纠缠状态的量子就像有“心灵感应”,无论相隔多远,一个量子状态变化,另一个也会改变。爱因斯坦称之为“鬼魅般的远距作用”。

量子纠缠分发,就是将一对有“感应”的量子分置于两地。这尤其适用于保密通信,在此基础上的量子通信技术被誉为信息安全“终极武器”。

潘建伟对新华社记者说:“这项工作为未来开展大尺度量子网络和量子通信实验研究,以及开展外太空广义相对论、量子引力等物理学基本原理的实验检验奠定了可靠的技术基础。”

《科学》杂志在一份简介中将这项中国科学家独立完成的工作称为“一项里程碑式的研究”。论文审稿人认为,这一成果是“兼具潜在实际应用和基础科研重要性的重大技术成就”、“毫无疑问将在学术界和广大社会公众中产生非常巨大的影响”。

这篇题为《基于卫星的纠缠分发距离超过1200公里》的论文说,通过“墨子号”向地面发射光子,每对处于纠缠状态的光子中的一个发向青海德令哈站,另一个发向云南丽江站,两个地面站之间的距离达到1203公里。这是世界上首次实现千公里量级的量子纠缠。

“墨子号”科学应用系统总设计师彭承志说:“这是量子卫星上天以来迄今为止发布的最大成果。”

要让量子通信实用化,需要实现量子纠缠的远距离分发。但量子地面传输无论通过光纤或大气都有较大信号损耗,此前国内外地面实验的分发距离一直停留在百公里量级。

解决这个问题的一个有效办法就是利用卫星向地面分发。作为世界首颗量子科学实验卫星,“墨子号”星地纠缠分发的传输衰减仅是同样距离地面衰减的万亿分之一。但这种方式对精度要求极高,好比从万米高空飞机上扔下一连串硬币,在地面用存钱罐接住。

“这项工作是纠缠分发技术的一个真正突破,”美国麻省理工学院凯克极限量子信息理论中心主任塞思·劳埃德告诉新华社记者,“这项实验表明远距离量子通信确实在技术上可行,让人们看到了在不久的未来构建远程量子通信的希望。”

外国专家震惊

加拿大卡尔加里大学物理学家沃夫冈·迪塔尔(Wolfgang Tittel,领导另一量子研究团队)表示,“我已经被中国团队的结果震惊了,我个人之前看到量子卫星发射后,并不确定能获得什么结果”,也不确定他们是否能用它实现技术突破。

与潘建伟团队相比,加拿大的量子加密和科学卫星团队采取了较为简单的实验方法,他们在地面制造量子纠缠,并将其发射到卫星上。他们上周发表文章称,成功将量子发射到了10公里高空的飞行器上。

加拿大滑铁卢大学(the University of Waterloo)量子项目成员托马斯·詹内怀恩(Thomas Jennewein)表示,他们的团队以及世界上的其他团队现在正在追赶中国团队,“很明显他们是量子卫星的世界领跑者。”

潘建伟说,目前主要的挑战是,如何在白天,光量子非常多的情况下,分辨并接收到量子卫星的信号,以实现量子通信。

潘建伟表示,除了量子密钥和通信实验之外,他们还将运用“墨子号”测试重力对于量子纠缠形态的影响。他们还将在两年内发射另一颗量子卫星。其他同事认为这个想法太雄心勃勃了,因为这意味着两套在太空中的量子发射系统,可能实现宇宙中的量子纠缠。


(作者:未知)
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