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|新加坡科学家用立方星演示量子纠缠，向全球量子通信网络迈进


导读
据美国光学学会（OSA）官网和新加坡国立大学量子技术中心（CQT）官网近日报道 ， 新加坡国立大学量子技术中心领导的科研团队成功在立方星上演示了量子纠缠 。 这项研究朝着创造全球量子通信网络的目标迈出了关键一步 。
背景
量子纠缠 ， 是当代量子力学中的一个关键概念 ， 由爱因斯坦、波多尔斯基、罗森塔尔在1935年提出 ， 距今已有近百年历史 。 爱因斯坦曾称这种神奇的物理现象为“鬼魅般的超距作用” 。
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片上频率梳可同时产生多光子纠缠的量子状态 。 （图片来源：魁北克大学国立科学研究院）
什么是量子纠缠？简单说 ， 它是指在由两个或两个以上的粒子（例如光子）组成的系统中 ， 粒子之间相互影响的现象 。 无论两个粒子之间相距有多遥远 ， 一个粒子的行为将会影响另一个的状态 。 当其中一个粒子的状态由于被测量而发生变化时 ， 另一个粒子的状态也会随即发生相应的变化 。
基于量子纠缠 ， 研究人员有望开发出适合远距离即时通信的安全量子通信网络 。 无论处于纠缠状态的光子之间相隔多远 ， 只要测量了其中一个光子的状态 ， 另一个光子的状态也会相应确定 ， 这一特性可以用来在遥远两地的用户间直接产生密钥 。 利用卫星作为量子纠缠源 ， 通过自由空间信道在遥远两地直接分发纠缠 ， 为现有技术条件下实现基于纠缠的量子保密通信提供了可行的道路 。
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（图片来源：SQO团队 ， 渥太华大学）
前不久 ， 中国科学技术大学潘建伟院士团队联合牛津大学等国内外团队 ， 利用全球首颗量子科学实验卫星“墨子号” ， 在国际上首次实现千公里级基于纠缠的量子密钥分发 。 相关研究成果于6月15日在线发表在《自然》杂志上 。
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基于纠缠的无中继千公里量子保密通信实验示意图 。 （图片来源：中国科学技术大学）
据论文介绍 ， “墨子号”卫星同时与新疆乌鲁木齐南山站和青海德令哈站两个地面站建立光链路 ， 以每秒2对的速度在地面超过1120公里的两个站之间建立量子纠缠 ， 进而在有限码长下以每秒0.12比特的最终码速率产生密钥 。 “墨子号”高度为1.7米 ， 重约640千克 ， 其中包括一个重达23.8千克的量子光源 。
“墨子号”出色地证明了通过卫星开展量子通信的可行性 ， 甚至可在数千公里内传输纠缠的光子 ， 打破了量子隐形传态的距离记录 。 不过 ， 想要建立一个真正的全球量子通信网络 ， 还是需要将量子通信卫星造得更小巧、更节能、更低成本 ， 并能够承受太空环境中的极端情况 。
创新
就在中国科学家宣布用“墨子号”卫星实现基于量子纠缠的量子密钥分发后10天 ， 新加坡国立大学量子技术中心领导的科研团队成功在立方星（CubeSat）上实现了量子纠缠 。 这项研究的相关论文发表在美国光学学会著名学术期刊《Optica》上 。 尽管只是做到了量子纠缠这第一步 ， 还没有产生量子密码 ， 但是这种小体积、低成本的设备仍然备受关注 。
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SpooQy-1立方星（图片来源：NASA）
论文领导作者、新加坡国立大学量子技术中心的艾托·维拉尔（Aitor Villar）表示：“未来 ， 我们的系统可能成为全球量子网络的一部分 ， 将量子信号传送到地球或者其他航天器上的接收器 。 这些信号可用于实现任何类型的量子通信应用 ， 从量子密钥分发到量子隐形传态 。 量子密钥分发可用于极其安全的数据传输 ， 而量子隐形传态是通过远距离复制量子系统的状态来传送信息 。 ”


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