升空整整10個月之后，“墨子號”終于再次傳來好消息，當(dāng)?shù)貢r間6月15日，《Nature》雜志頭版刊登出了中國“墨子號”量子衛(wèi)星首次實現(xiàn)上千公里量子糾纏的消息，相較于此前144公里的最高量子傳輸距離紀(jì)錄，這次跨越意味著絕對安全的量子通信又進(jìn)一步貼近了實用。

圖丨《Nature》雜志封面

根據(jù)了解，此次接收量子信號的兩個地面站分別是青海德令哈站和云南麗江高美古站，兩地相距1203公里，衛(wèi)星的工作高度約為500公里。而在每晚僅有5分鐘的時間窗口期間之內(nèi)，研究團(tuán)隊要保證做到兩地可以同時接收到衛(wèi)星所發(fā)出來的信號，功夫不負(fù)有心人，此次試驗取得圓滿成功。

而實際上，“墨子號”的高超能力從研制開始就已經(jīng)顯現(xiàn)出來了，當(dāng)時就已經(jīng)實現(xiàn)了每秒一次量子糾纏的效率，比原有的預(yù)期要快了10倍。而“墨子號”團(tuán)隊的負(fù)責(zé)人潘建偉也表示，他們已經(jīng)啟動運用量子糾纏技術(shù)創(chuàng)建密鑰的相關(guān)實驗了，不過他們暫時并不準(zhǔn)備對外公布實驗結(jié)果。

圖丨量子衛(wèi)星的工作示意

長期以來，量子糾纏作為一種神秘現(xiàn)象始終被局限于物理的研究領(lǐng)域，它具體表現(xiàn)為量子進(jìn)入一種疊加狀態(tài)，即其量子特征在同一時間處于不同狀態(tài)。像薛定諤的貓一樣，在同一時間可能存在生和死兩種狀態(tài)。物理學(xué)家已經(jīng)成功實現(xiàn)了多種粒子的糾纏，比如電子和光子，以及超導(dǎo)電路這類大規(guī)模應(yīng)用。

理論上說，即使處于糾纏態(tài)的物體被分開，它們的不穩(wěn)定的量子態(tài)仍然保持某種聯(lián)系，直到其中一個被測量或被擾亂。人為測量可以同步?jīng)Q定了另一個的狀態(tài)，無論距離多遠(yuǎn)，這一結(jié)論都會奏效。雖然想法看上去很違反常識，甚至連愛因斯坦都曾評價它是“遙遠(yuǎn)的幽靈活動”（spooky action at a distance）。

然而，從20世紀(jì)70年代開始，物理學(xué)家開始研究增加距離可能會帶來的影響。在2015年進(jìn)行過一項非常復(fù)雜的實驗，對相隔1.3公里處于糾纏態(tài)的電子進(jìn)行測量，驗證了這種“遠(yuǎn)距離的幽靈活動”是真實存在的。

除了基礎(chǔ)理論研究，量子糾纏特性最重要的還在于廣闊的應(yīng)用前景，其中最重要的當(dāng)屬防范黑客、提升保密的安全等級。長距離的量子糾纏是安全通信的“量子鑰匙”。任何對加密信息的破解嘗試都會對分享的鑰匙產(chǎn)生干擾，進(jìn)而提醒通訊者注意自己的信息安全。

但棘手的問題在于，糾纏態(tài)的量子會在通過空氣等介質(zhì)的時候急劇衰減。所以，目前量子秘鑰的最長距離也就只有幾百公里。作為解決辦法，量子中繼器(Quantum repeaters)能夠通過放大量子信號的方式延展網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍，但這一技術(shù)尚未成熟。許多物理學(xué)家于是夢想通過衛(wèi)星在幾乎真空的太空環(huán)境中傳輸量子信號。

“當(dāng)你有衛(wèi)星在全球范圍內(nèi)傳輸信號的時候，一切就都不成問題了?！蔽靼嘌绹已芯克目茖W(xué)家 Verónica Fernández Mármol 表示，“量子衛(wèi)星的跨越使得我們在光纖傳輸中遇到的所有問題都迎刃而解。”

圖丨西班牙科學(xué)家 Verónica Fernández Mármol

而實現(xiàn)這一目標(biāo)的正是中國的潘建偉團(tuán)隊，據(jù)悉，這個以中國古代哲學(xué)家的名字命名的量子衛(wèi)星總共耗資約一億美元，建成之后會極大提升中國在該領(lǐng)域的競爭能力，做到可以和美國并駕齊驅(qū)的地位。

但實驗操作本身并不容易，在本次實驗中，研究團(tuán)隊向衛(wèi)星上的一種特殊晶體發(fā)射了一束激光。該晶體會釋放一對偏振方向相反的糾纏光子；然后，兩個光子分別被發(fā)射到相距1203公里遠(yuǎn)的德令哈和麗江。在西藏的高山上，稀薄的空氣令光子不那么容易衰弱。本周內(nèi)，該團(tuán)隊已經(jīng)報道同時測量到了1000個光子對，并發(fā)現(xiàn)偏振方向相反的對數(shù)遠(yuǎn)超預(yù)想的隨機(jī)對數(shù)，因此確定刷新了“量子糾纏”的距離記錄。

過程中，研究團(tuán)隊必須克服許多障礙，例如，衛(wèi)星以約每秒8公里的速度在太空中飛行，科學(xué)家需要想方設(shè)法將衛(wèi)星發(fā)回的光子束聚焦在地面站上。新加坡國立大學(xué)物理學(xué)家亞歷山大·林（Alexander Ling）說：“這是一項非常具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)，也非常值得嘗試?！钡?，Ling指出，潘建偉團(tuán)隊從衛(wèi)星發(fā)送的光子束中，大約每600萬光子只收回了一個，這一表現(xiàn)雖然遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于地面實驗，但是離量子通信邁向?qū)嶋H應(yīng)用仍有距離。

圖丨新加坡物理學(xué)家Alexander Ling

潘建偉希望中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心可以嘗試發(fā)射更多的衛(wèi)星，這些衛(wèi)星能夠發(fā)出更強(qiáng)、雜質(zhì)更少的光束，甚至在陽光照射下也能檢測到（“墨子號”目前只能在夜間環(huán)境下工作）。

“在接下來的5年里，我們計劃推出一些真正實用的量子衛(wèi)星”，他說。

與此同時，潘建偉將使用“墨子號”向地面站發(fā)射量子密鑰，這需要波長更長的光子和更多的步驟。另外，潘建偉團(tuán)隊將在中國和奧地利的空間站之間進(jìn)行洲際量子密鑰的傳送，他還計劃在西藏天文臺與空間衛(wèi)星中進(jìn)行量子星地通信。

圖丨潘建偉及其團(tuán)隊

其他國家和地區(qū)也正在加快他們的量子空間實驗研發(fā)腳步：Ling正在與澳大利亞的物理學(xué)家們合作一個在兩顆衛(wèi)星之間發(fā)送量子信息的項目；加拿大航天局最近宣布將資助小型量子衛(wèi)星的研發(fā)項目；歐洲和美國的研究團(tuán)隊計劃將量子儀器帶上國際空間站。

曾推動歐洲航天局的量子衛(wèi)星研發(fā)計劃的奧地利物理學(xué)家 Anton Zeilinger 表示，他們的實驗?zāi)繕?biāo)之一是測試量子糾纏是否會受到引力場的影響，具體可以通過比較軌道弱重力環(huán)境中某個光子及其量子糾纏對象的狀態(tài)實現(xiàn)，而類似這樣的實驗可謂少之又少。

圖丨奧地利物理學(xué)家 Anton Zeilinger

Zeilinger則認(rèn)為，潘建偉證明“中國做出了正確的決定”。“我個人認(rèn)為，未來的互聯(lián)網(wǎng)將建立在量子理論的基礎(chǔ)之上，”他說。

總而言之，量子通信衛(wèi)星的這次成果意義重大，不僅證明了量子態(tài)在超長距離（1203公里）下仍保持其糾纏特性，刷新了之前在地面上通過光纖傳輸?shù)挠涗?。更重要的是，此次實驗驗證了基于衛(wèi)星的量子通信模式的可行性，理論上說在地球上的任意兩地都可以借助衛(wèi)星進(jìn)行量子保密通信，為未來更遠(yuǎn)距離量子保密通信打下了基礎(chǔ)，伴隨著大動態(tài)范圍、高穩(wěn)定性衛(wèi)星控制技術(shù)的發(fā)展，全球化量子衛(wèi)星通信的愿景愈發(fā)清晰。