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全球量子网路的突破,科学家成功在地面和卫星之间建立量子纠缠连结


   2020-06-18

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全球量子网路的突破,科学家成功在地面和卫星之间建立量子纠缠连结

在量子加密通讯的研究领域,如何长距离传输缠结光子一直是个很大的难题。不过最近中国的科学家们,利用 2016 年 8 月发射的墨子号量子卫星,在这件事上取得了一些突破。

20 年前,科学家们对于「量子力学传送」这件事还只是处在猜测阶段,但时至近年,中国在 2016 年 8 月领先全球发射了首枚量子卫星,据称可确保中国在未来的通讯免于骇客攻击和窃听,在那之后,世界各国纷纷开始研究量子卫星和量子加密通讯的研究。

如何长距离传输纠缠光子一直是个很重要的难题,2016 年中国科学家在这方面又有突破,它们成功向相距 1,203 公里的青海德令哈市和云南丽江两个地面站分发纠缠态的量子,是全球首次证明量子纠缠的距离可达如此远的距离,为未来量子通讯实用踏出一大步。

而最近,这群科学家们又有新的突破,他们成功地从地球传送光子(photon)到 500 公里远以外的卫星上。

这一次中国科学家的突破是从 2016 年墨子号升空以后,就一直在测试的目标之一。团队不只成功的第一次将光子传送到卫星上,他们也成功地在卫星和地球之间建立了量子网络连接。中国团队在 MIT Technology Review 上表示,「长距离传送已经被认为是大规模量子网路和分布式量子计算等协议的基本要素。在此之前,由于光纤或地面自由空间通道中的光子可能有损失的风险,之前的远程实验被限制在 100 公里的距离上。」这一次的突破,可谓打破先前的所有障碍。

「传送」是什幺

当提到「传送」这个字眼的时候你会想到什幺?像是科幻电影中常见的人类瞬间移动这样的画面吗?事实上,量子传送的定义不太一样,量子传送必须仰赖在所谓的「量子纠缠」上。

「量子纠缠」被爱因斯坦称为「鬼魅般的超距作用」,因为在空间中超越光速的资讯传递显然违反了相对论。它是两个(或多个)粒子共同组成的量子状态,无论粒子间隔多远,测量其中一个粒子必会影响其他粒子,这被称为量子力学非定域性。2016 年升空的「墨子号」,其任务之一就是从卫星向地面发射纠缠量子,而这一次的成功传送是科学家们首次成功在实验室以外的地方传送。

全球量子网路的突破,科学家成功在地面和卫星之间建立量子纠缠连结

在 2015 年的时候,来自荷兰代尔夫特理工大学(TU Delft)和西班牙以及英国的科学家们在《自然》学术期刊上发表过论文,提供了新的关于量子纠缠效应确实存在的实验证明。研究人员把两颗钻石分别放在大学校园的两端(距离为 1.3 公里),每颗钻石内含有一个可以俘获单个电子的微小空间。校园两端设有探测器,以确保分别放置在两颗钻石内的电子之间无法以传统的物理方式交换信息。实验结果证明,这一对电子之间确实存在某种「超越时空」的连接。这项实验同时展示了利用量子纠缠实现安全加密技术的可行性,并朝着「量子网路」的实际应用前进了一步。

「量子纠缠」的效应在两物体之间产生的连结,可以藉由类似「下载」的模式,将其中一个光子上的相关资讯藉由该连结传送到另一个光子上,后者将会承袭前者。这就是「量子传送」。

从中国科学家这一次的实验结果来看,他们在卫星和地面间建立的量子纠缠大约是每秒 4,000 亮子的频率,他们持续将这每秒 4,000 亮子的其中一个亮子照到卫星上,然后让另一个亮子待在地球。最后,他们发现地球和卫星上的亮子之间确实有发生量子纠缠。

还有很长的路要走

值得注意的是,儘管这是量子传送技术往前迈进的一大步,但目前这项科技还是有许多限制,例如,想要传送任何比光子还要大的物件,目前来说是不可能。此外,在理论上来说,量子传送的距离基本上可以说是毫无限制,但量子纠缠的连接非常脆弱,很容易就会中断。

儘管如此,研究团队还是表示,「这项工程首次建立了地对卫星之间能进行超远程距量子传送的想法,对于实现全球量子网路来说是一项重大迈进。」


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