中国量子卫星向超安全通信迈出重大一步

原文以China's quantum satellite clears major hurdle on way to ultrasecure communications为标题

发布在2017年6月15日的《自然》新闻上

原文作者：Davide Castelvecchi

作为全球首颗量子通信卫星，“墨子号”在发射几个月内就实现了它最宏伟的目标之一。

研究者在《科学》杂志上报告，他们从“墨子号”上向两个相距逾1200千米的地面站发射了光子，且光子对在这一创纪录的距离上仍然保持着关联的量子态。这种现象被称为“量子纠缠”，可成为未来的安全量子通信网络的基础。

这张2016年12月的合成照片显示了中国量子卫星“墨子号”与位于西藏的地面站间的联系。

Jin Liwang/Xinhua via ZUMA Wire

这是中国量子科学实验卫星（QUESS）任务报告的首个成果，该卫星又被称为“墨子号”，以中国古代哲学家墨子命名。去年8月，“墨子号”发射升空，旨在证明量子通信背后的原理。“墨子号”团队或将发射更多量子卫星，着手打造一个量子卫星网络。

量子通信的安全性源于任何干扰都会被发现。通过共享一个利用纠缠态粒子属性加密的密钥，通信双方共享就能交换秘密信息；任何偷听行为都会影响纠缠，从而被发现。

中国科学技术大学物理学家、“墨子号”首席科学家潘建伟表示，“墨子号”团队已经开展了实验，探索用纠缠态光子创造这种密钥，以及在地球和太空间安全地“隐形”传送信息的可能性。不过，他表示他的团队还未准备好公布结果。

贝尔测试

理论上，处于纠缠状态的粒子无论相隔多远，都仍然应保持关联。这一点可以过经典的“贝尔测试”进行验证。

QUESS实验的核心是该卫星上的一个激光束。在进行“贝尔测试”时，该光束被分割形成光子对，这些光子对共享一个量子态，在本实验中与光子偏振有关。纠缠态光子会被发送到卫星搭载的两个望远镜，望远镜分别将纠缠态光子发射至两个地面站：一个位于青藏高原北部的德令哈，另一个则位于德令哈以南1203千米的丽江高美古观测站。一待这些粒子抵达，研究团队就会利用贝尔测试来证明它们仍处于纠缠状态。

研究人员每晚只有不到5分钟的窗口时间，即两个观测站都能看到在约500千米高空运转的卫星的时间。在卫星发射后几周内，他们便能每秒传送一个纠缠光子对，其速度是预期的10倍。这项关键实验在去年年末完成，潘建伟表示：“我们很高兴整个系统运行正常。”此前，这类实验的距离纪录是144千米。

巴黎第十一大学的量子通信物理学家Frédéric Grosshans说：“这证明洲际量子通信是可实现的。”他补充道，纠缠态粒子是量子通信的“主力工具”。

2016年8月，中国发射了全球首颗量子卫星。

Jin Liwang/Xinhua via ZUMA Wire 

贝尔测试

“中国研究团队的成果着实令我感到震撼，”加拿大卡尔加里大学的物理学家Wolfgang Tittel说，“在卫星发射升空后，我并不清楚他们是否能取得成功，也不清楚他们是否会利用它来改进下一次的任务。”

潘建伟表示，除了量子密钥和隐形传态实验，其团队还计划利用“墨子号”测试引力会如何影响光子的量子态。他们希望在两年内发射另一颗经过改进的量子卫星。他说，他们面临的一个重大挑战是升级技术，以便在白天发送和接收信号。由于白天的光子较多，研究者更难从中挑出来自卫星的光子。

就目前而言，潘建伟认为第一颗量子卫星的设计是没有问题的。他说，他的同事原本认为这种设计过于宏大，因为它在空间中产生纠缠态光子，还需要两个光子发射系统。

而目前处于计划阶段的类似任务，比如加拿大量子加密与科学卫星（QEYSSat），则将采用一种更简单的方法：先在地球上生成纠缠态光子，再将其发射至卫星。在上周发表的一项研究中，QEYSSat团队报告了一次成功的技术测试，将光子从地面传输至位于10千米空中的航空器上。

加拿大滑铁卢大学的Thomas Jennewein参与了QEYSSat任务，他说，他的团队和全球其他团队正在努力追赶中国的步伐。“现在，他们显然是量子卫星领域的全球领导者，”他说。ⓝ

Nature|doi:10.1038/nature.2017.22142

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