中國準備發射世界上第一顆旨在進行量子實驗的衛星。 隨後可能會有一批具有量子功能的航天器。
首先可能是更多的中國衛星，它們將共同建立一個超安全的通訊網路，有可能將世界各地的人們聯絡起來。 但來自加拿大、日本、義大利和新加坡的團隊也有量子空間實驗的計劃。
“我絕對認為會有一場競賽，”陸朝陽說道，他是中國科學技術大學合肥分校的物理學家，他與中國衛星背後的團隊合作。這顆重達 600 公斤的航天器是中國一系列中國空間科學衛星中的最新一顆，將於 8 月從酒泉衛星發射中心發射。中國科學院和奧地利科學院是這項耗資 1 億美元的任務的合作者。
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量子通訊是安全的，因為任何篡改都是可檢測的。雙方可以透過共享編碼在光子串偏振中的加密金鑰進行秘密通訊，確信任何竊聽都會留下痕跡。
到目前為止，科學家們已經成功地演示了大約 300 公里的量子通訊。透過光纖和空氣傳播的光子會被散射或吸收，並且在保持光子脆弱的量子態的同時放大訊號是非常困難的。中國研究人員希望透過太空傳輸光子，使其傳播更加順暢，從而實現更遠距離的通訊。
他們衛星的核心是一個晶體，可以產生成對的糾纏光子，無論它們相隔多遠，其特性都保持糾纏。該航天器的首要任務是將這些配對中的夥伴發射到北京和維也納的地面站，並利用它們生成金鑰。
在為期兩年的任務中，該團隊還計劃進行一項稱為貝爾測試的統計測量，以證明糾纏可以存在於相隔 1200 公里的粒子之間。儘管量子理論預測糾纏會持續任何距離，但貝爾測試將證明這一點。
該團隊還將嘗試“隱形傳輸”量子態，使用一對糾纏的光子以及透過更傳統的方式傳輸的資訊，在新的位置重建光子的量子態。
“如果第一顆衛星執行良好，中國肯定會發射更多，”陸朝陽說。他補充說，大約需要 20 顆衛星才能在全球範圍內實現安全通訊。
來自中國境外的團隊正在採取不同的策略。新加坡國立大學（NUS）和英國斯特拉斯克萊德大學之間的合作正在使用廉價的5 公斤的立方體衛星進行量子實驗。去年，該團隊發射了一顆立方體衛星，在軌道上建立並測量了成對的“相關”光子；明年，它希望發射一種產生完全糾纏對的裝置。
NUS 物理學家亞歷山大·林 (Alexander Ling) 表示，立方體衛星的成本僅為每顆 10 萬美元，這使得天基量子通訊成為可能，他正在領導該專案。
一個加拿大團隊提議在地面上生成成對的糾纏光子，然後將其中一些光子發射到重量不到 30 公斤的微型衛星上。滑鐵盧大學的物理學家、加拿大量子加密與科學衛星（QEYSSat）團隊的成員布倫登·希金斯表示，這比在太空中生成光子要便宜。但是，將光子傳遞到移動衛星將是一個挑戰。該團隊計劃先使用飛機上的光子接收器測試該系統。
義大利帕多瓦大學的一個團隊在 Paolo Villoresi 的領導下，提出了更簡單的量子空間科學方法，即將反射器和其他簡單的裝置新增到常規衛星上。去年，該團隊表明，從現有衛星反射回地球的光子保持了其量子態，並且接收到的錯誤率足夠低，可以進行量子密碼術 (G. Vallone et al. Phys. Rev. Lett. 115, 040502; 2015)。研究人員說，原則上，該方法可以用來生成金鑰，儘管速度比更復雜的設定要慢。
研究人員還提出了在國際空間站 (ISS) 上進行的量子實驗，該實驗將同時糾纏光子的兩個不同特性的狀態 — 一種稱為超糾纏的技術 — 以使隱形傳輸更加可靠和高效。
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，除了使通訊更加安全之外，這些衛星系統還將標誌著朝著由世界各地的量子計算機組成的“量子網際網路”或量子計算雲邁出的重要一步，他正在與 NASA 在國際空間站專案上合作。
維也納奧地利科學院的物理學家安東·塞林格說，量子網際網路很可能涉及衛星和地面鏈路的組合，他曾在加入中國團隊之前，曾為歐洲量子衛星進行過不成功的辯論。並且仍然存在一些挑戰。例如，物理學家將需要找到衛星彼此直接通訊的方法；完善糾纏來自不同來源的光子的藝術；以及將使用單個光子進行的資料傳輸速率從每秒兆位元提高到每秒千兆位元。
塞林格說，如果中國團隊取得成功，其他團隊應該更容易獲得量子衛星的資金。 在這場特殊的太空競賽中，美國相對低調，但塞林格認為，它可能正在進行更多關於該主題的機密工作。
最終，太空中的量子隱形傳輸甚至可以使研究人員能夠組合來自衛星的光子，以製造一個有效孔徑與地球大小相當的分散式望遠鏡，並具有巨大的解析度。“你不僅能看到行星，”克維亞特說，“原則上還能讀取木星衛星上的車牌。”
本文經許可轉載，並於 2016 年 7 月 28 日首次發表。