证实了,“幽灵作用”延绵千里

发布时间: 2017-06-20 15:45:37  |  来源: 科技日报  |  作者: 吴长锋  |  责任编辑: 杨霄霄
关键词: 量子纠缠,纠缠光子,量子传输,高速星

     升空整整10个月之后,“墨子号”终于再次传来好消息,当地时间6月15日,美国《科学》杂志以封面论文形式,报道了中国“墨子号”量子卫星首次实现上千公里量子纠缠的消息,相较于此前144公里的最高量子传输距离纪录,这次跨越意味着绝对安全的量子通信离实用又近了一步。

空间尺度上实现“鬼魅般的超距作用”

由于量子纠缠非常脆弱,会随着光子在光纤内或者地表大气中的传输距离而衰减,以往的量子纠缠分发实验只停留在百公里的距离。量子纠缠“鬼魅般的超距作用”在更远的距离上是否仍然存在?会不会受到引力等其他因素的影响?这些基本物理问题的验证都需要实现上千公里甚至更远距离的纠缠分发;另一方面,要实现广域的量子网络也自然要求远距离的纠缠分发。

理论上有两种途径可以扩展量子纠缠分发的距离。一种是利用量子中继,尽管量子中继的研究在近些年已取得了系列重要突破,但是目前仍然受到量子存储寿命和读出效率等因素的严重制约而无法实际应用于远程量子纠缠分发。另一种是利用卫星,因为星地间的自由空间信道损耗小,在远程量子通信中比光纤更具可行性,结合卫星的帮助,可以在全球尺度上实现超远距离的量子纠缠分发。

但棘手的问题在于,纠缠态的量子会在通过空气等介质的时候急剧衰减。所以,目前量子密钥的最长距离也就只有几百公里。作为解决办法,量子中继器能够通过放大量子信号的方式延展网络的覆盖范围,但这一技术尚未成熟。许多物理学家于是梦想通过卫星在几乎真空的太空环境中传输量子信号。

实验相当于“从地面上及时看到有人在月球上擦火柴”

这次接收量子信号的两个地面站分别是青海德令哈站和云南丽江高美古站,两地相距1203公里,卫星的工作高度约为500公里。

而在每晚仅有5分钟的时间窗口期间之内,研究团队要保证做到两地可以同时接收到卫星所发出来的信号,卫星上的纠缠源载荷每秒产生800万个纠缠光子对,建立光链路可以以每秒1对的速度在地面超过1200公里的两个站之间建立量子纠缠,该量子纠缠的传输衰减仅仅是同样长度最低损耗地面光纤的一万亿分之一。

但实验操作本身并不容易,研究团队必须克服许多障碍,例如,卫星以约每秒8公里的速度在太空中飞行,科学家需要想方设法将卫星发回的光子束聚焦在地面站上。

新加坡国立大学物理学家亚历山大·林说:“这是一项非常具有挑战性的任务,也非常值得尝试。”这种方式对精度要求极高,好比有人在月球上擦一根火柴,在地面用望远镜必须及时捕捉到。

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