在一項具有里程碑意義的研究中，一箇中國科學家團隊使用一顆實驗衛星，以前所未有的距離測試了量子糾纏，將糾纏光子對束縛到中國各地的三個地面站——每個地面站之間相隔超過 1200 公里。這項測試驗證了量子理論中一個神秘而長期存在的原則，並確立了中國在蓬勃發展的“量子太空競賽”中的領跑者地位，這場競賽旨在建立一個安全的、基於量子的全球通訊網路——也就是說，一個潛在的、無法破解的“量子網際網路”，它將具有巨大的地緣政治重要性。這項研究結果於 2017 年發表在《科學》雜誌上。
日內瓦大學的物理學家尼古拉斯·吉辛說：“中國在量子通訊領域取得了領先地位。”他沒有參與這項研究。“這表明全球量子通訊是可能的，並且將在不久的將來實現。”
量子通訊的概念被認為是安全性的黃金標準，部分原因是任何有損的監視都會在傳輸中留下印記。傳統的加密訊息需要金鑰才能解密，但這些金鑰在傳送到乙太網時容易受到竊聽。然而，在量子通訊中，這些金鑰可以編碼在糾纏光子的各種量子態中——例如它們的偏振——如果訊息被竊聽者攔截，這些狀態將不可避免地被改變。地面量子通訊通常透過光纖電纜或露天傳送糾纏光子對。但是，沿途與普通原子的碰撞會擾亂光子脆弱的量子態，從而將傳輸距離限制在幾百公里以內。配備“量子儲存”模組的複雜裝置，稱為量子中繼器，原則上可以串聯在一起，以接收、儲存和重新傳輸跨越更長距離的量子金鑰，但是這項任務非常複雜和困難，以至於此類系統在很大程度上仍然是理論上的。
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伊利諾伊大學厄巴納-香檳分校的物理學家保羅·克維亞特說：“量子中繼器必須接收來自兩個不同地方的光子，然後將它們儲存在量子儲存器中，然後將它們彼此直接干涉”，然後再沿網路傳送進一步的訊號。他與中國團隊無關。“但是，為了做到這一切，您必須知道您已經儲存了它們，而無需實際測量它們。”克維亞特說，這種情況有點像知道您在郵件中收到了什麼，而無需檢視郵箱或開啟裡面的包裹。“您可以搖動包裹——但如果您收到的只是光子，那將很難做到。您想確保您已收到它們，但您不想吸收它們。原則上，這是可能的——毫無疑問——但這非常難做到。”
因此，要形成一個環繞地球的安全量子通訊網路，唯一可用的解決方案是透過太空真空束縛量子金鑰，然後使用地面節點將它們分佈到數十至數百公里的範圍內。墨子號衛星於 2016 年發射到近地軌道，以古代中國哲學家墨子命名，是中國為實現這一目標而做出的首要努力，也是中國耗資 1 億美元的空間尺度量子實驗 (QUESS) 計劃的一部分。
墨子號的核心攜帶了一個晶體和雷射器元件，可以生成糾纏光子對，然後將它們分離並透過單獨的光束傳輸到地球視線範圍內的地面站。對於最新的測試，三個接收站位於青藏高原的德令哈市和烏魯木齊市，以及中國西南部的麗江市。德令哈和麗江之間的地理距離為 1203 公里，這是傳輸糾纏光子對的創紀錄距離。
目前，該系統主要仍是概念驗證，因為目前報告的墨子號與其接收站之間的資料傳輸速率太低，無法維持實際的量子通訊。在墨子號的晶體核心每秒產生的大約 600 萬對糾纏對中，每秒只有大約一對到達地面探測器，這是由於光束在穿過地球大氣層和每個接收站的聚光望遠鏡時減弱了。團隊負責人潘建偉是中國科學技術大學（合肥）的物理學家，自 2003 年以來一直推動和計劃這項實驗，他將這項壯舉比作探測到來自月球上某人劃燃的單根火柴的單個光子。即便如此，他說，墨子號傳輸糾纏光子對的效率“比使用最好的電信光纖高萬億倍……。我們完成了一些在沒有衛星的情況下絕對不可能完成的事情。”潘說，很快，QUESS 將發射更實用的量子通訊衛星。
儘管潘和他的團隊後來在 2017 年使用墨子號在中國和奧地利的地面站之間分配量子金鑰，實現了安全的洲際通訊，但他們最初的演示卻旨在實現一項更簡單的任務：證明阿爾伯特·愛因斯坦是錯誤的。
愛因斯坦曾將量子理論最奇異的要素之一——測量一對糾纏粒子中的一個成員似乎會瞬間改變其對應成員的狀態，即使該對應粒子位於銀河系的另一端——嘲笑為“幽靈般的超距作用”。愛因斯坦對此感到厭惡，因為它表明資訊可能以比光速更快的速度在粒子之間傳輸，從而打破了他狹義相對論設定的宇宙速度限制。相反，他和其他人假設，也許糾纏粒子以某種方式共享“隱藏變數”，這些變數是實驗無法觸及的，但會決定粒子在測量時的後續行為。1964 年，物理學家約翰·貝爾設計了一種測試愛因斯坦想法的方法，計算了一個物理學家可以統計測量的極限，以衡量隱藏變數可能與糾纏粒子的行為相關的程度。如果實驗表明超過了這個極限，那麼愛因斯坦的隱藏變數的想法將是不正確的。
自 1970 年代以來，物理學家在越來越大的時空範圍內進行的“貝爾測試”表明，愛因斯坦確實錯了，糾纏粒子實際上確實超過了貝爾的嚴格限制。2015 年，荷蘭進行了一項決定性的測試，當時代爾夫特理工大學的一個團隊關閉了過去實驗中一直存在的幾個潛在的“漏洞”，併為隱藏變數的影響溜走提供了微小但重要的機會。然而，該測試涉及將糾纏粒子分離僅一公里多一點。藉助墨子號在相距遙遠的地面站之間傳輸糾纏光子，潘的團隊在 1000 倍更大的距離上進行了貝爾測試。正如以前一樣，他們的結果證實愛因斯坦是錯誤的。量子領域仍然是一個幽靈般的地方——儘管目前還沒有人理解為什麼。
德克薩斯大學奧斯汀分校的物理學家斯科特·阿倫森說：“當然，任何接受量子力學的人都不可能懷疑可以在那麼遠的距離——或任何距離——上建立糾纏，但看到它變得具體仍然令人欣慰。”“我們已知的一切都沒有表明這個目標是無法實現的。這條新聞的意義不在於它是出乎意料的，或者它顛覆了先前相信的任何東西，而僅僅在於它是多年辛勤工作的令人滿意的成果。”
這項工作很大程度上始於 1990 年代，當時中國團隊的負責人潘是中國物理學家安東·塞林格在奧地利因斯布魯克大學的實驗室的研究生。塞林格是潘的博士生導師，他們密切合作，測試和進一步發展了量子通訊的思想。潘於 2001 年回到中國建立了自己的實驗室，塞林格也在維也納的奧地利科學院建立了一個實驗室。在接下來的七年中，他們將激烈競爭，以打破在地面實驗中跨越越來越寬的間隙和在越來越極端的條件下傳輸糾纏光子對的記錄。一直以來，這兩個人都遊說各自國家的航天機構批准一顆可用於從太空測試該技術的衛星。但是塞林格的提案在歐洲航天局的官僚沼澤中消失了，而潘的提案很快被中國國家航天局接受。最終，塞林格選擇與他的老學生再次合作，而不是與他競爭；今天，奧地利科學院是 QUESS 計劃的關鍵合作伙伴。
塞林格說：“我很高興墨子號工作得如此出色。”“但是人們必須意識到，這對歐洲和其他國家來說也是一個錯失的機會。”
多年來，其他研究人員和機構一直在爭先恐後地追趕，推動政府為地面和太空的進一步實驗提供更多資金——他們中的許多人將墨子號的成功視為他們一直在等待的催化事件。安大略省滑鐵盧大學的物理學家托馬斯·詹內溫說：“這是一個重要的里程碑，因為如果我們將來要擁有量子網際網路，我們將需要在這些長距離上傳送糾纏。”他沒有參與這項研究。“這項研究對我們社群的所有人來說都是開創性的——每個人都可以指著它說，‘看，它確實有效！’”
詹內溫和他的合作者正在從頭開始追求一種天基方法，與加拿大航天局合作計劃一顆更小、更簡單的衛星，該衛星最終可以充當“通用接收器”，並重新分配從地面站束縛上來的糾纏光子。在新加坡國立大學，由物理學家亞歷山大·林領導的國際合作組織已經發射了廉價的鞋盒大小的立方體衛星，以建立、研究甚至可能傳輸“相關”的光子對——這種情況僅略低於完全糾纏。在美國，克維亞特正在利用美國宇航局的資金開發一種裝置，該裝置有朝一日可以在國際空間站上使用“超糾纏”（以多種方式同時糾纏光子對）來測試量子通訊。
也許最重要的是，由德國埃爾蘭根馬克斯·普朗克光學科學研究所的格爾德·萊希斯和克里斯托夫·馬夸特領導的團隊正在為歐洲哥白尼和航天資料高速公路衛星上已在太空中的商用雷射系統開發量子通訊協議。利用這些系統之一，該團隊成功地使用從地球上方約 38,000 公里的地球靜止軌道衛星束縛的光子，將簡單的量子態編碼併發送到地面站。馬夸特解釋說，這種方法不依賴於糾纏，並且與 QUESS 的方法截然不同——但是，透過最少的升級，它仍然可以用於分發量子金鑰以進行安全通訊。他們的研究結果發表在《光學》雜誌上。
馬夸特說：“我們的目的實際上是找到一種捷徑，使衛星量子金鑰分發等事物在經濟上可行且可僱用，非常快速且很快。”“[工程師們]投入了 20 年的辛勤工作來製造這些系統，因此升級它們比從頭開始設計一切要容易得多……。如果您可以依靠已經在太空中獲得資格的東西，那將是一個非常好的優勢，因為太空資格認證非常複雜。通常需要 5 到 10 年的時間才能開發出來。”
然而，馬夸特和其他人懷疑，這個領域的進展可能比公開承認的要先進得多，發展可能隱藏在美國和其他地方的官方保密面紗之後。量子通訊時代可能已經來臨。“我的一位同事開玩笑說，‘美國的沉默非常響亮’，”馬夸特說。“他們在洛斯阿拉莫斯[國家實驗室]和其他地方有一些關於自由空間衛星和量子金鑰分發的非常好的小組，但突然他們停止了出版。因此我們總是說他們停止出版有兩個原因：要麼它不起作用，要麼它效果非常好！”