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

昨天，就是昨天，中国科学家向世界宣布：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！此次研究成果发表在Science上，题为“Satellite-based entanglement distribution over 1200 kilometers"的封面论文。

众所周知，中国在量子通信科学实验中贡献极大，量子卫星“墨子号”2016年８月１６日在酒泉卫星发射中心成功发射，成为我国在世界上首次实现卫星和地面之间的量子通信，构建天地一体化的量子科学实验体系。卫星和地面站将共同执行三大科学任务，分别是高速星地量子密钥分发；星地量子纠缠分发，实现大尺度量子非定域性检验；星地量子隐形传态。

“墨子号”发射以来，成功完成了各项空间站量子通信的实验。其中包括建立天地链路测试、在轨相关科学实验，完成事先预定的科学目标。“墨子号”其中一个主要科学目的是通过卫星和地面站之间的量子密钥分发，实现星地量子保密通信。实验中，星地量子密钥速率远远超过实验预期。基于实验数据，原来是用卫星做中继，已构想新的实验项目，能否直接在两个地面站之间进行量子密钥分发呢？“墨子号”从研制到发射均引起了社会上的广泛关注和国际学术界的高度评价。

此次，“墨子号”实现的首次了千公里量级的量子纠缠意义非凡。对于量子纠缠传送，又称为量子纠缠互换，研究者利用了新奇的现象。利用联合测量，即贝尔态测量，将光子纠缠在一起是可能的。然后，这些光子被连接在一起，然后通过扭转其中一个的两极，比如从上至下扭转，那么另一个光子的两极就会自下而上扭转。长距离纠缠量子对分发对于量子物理基础的检验和可扩展量子网络的实现是极其必要的。然而由于通道损耗，此前能够实现的分发距离被限制在100公里左右。此次实验通过距离总长在1600-2400 公里之间的两个星-地下行线路，验证了基于卫星的、纠缠光子对在地面相距1203公里的两个接收站间的分发。实验观测到长距离站点间双光子纠缠的保持以及严格爱因斯坦局域化条件下贝尔不等式的违背。实验获得的线路效率比此前双光子通过通信光纤直接双向传输的效率高十几个量级。

“墨子号”此次实现千公里量级的量子纠缠证明我国在量子通信领域又迈入了新的阶段。