中央紀委國家監委網站 張馳
傳輸模擬圖（圖片來源：央視新聞）
實驗示意圖（研究團隊供圖）
近日，中國科學技術大學潘建偉院士及同事彭承志、陳宇翱、印娟等利用“墨子號”量子科學實驗衛星，首次實現了地球上相距1200公里兩個地面站之間的量子態遠程傳輸。2012年，潘建偉團隊在國際上首次實現百余公里自由空間量子隱形傳態，10年后，他們成功實現了十倍的突破，創造了量子態傳輸的新世界紀錄。
遠距離量子態傳輸通常利用量子隱形傳態來實現。通過遠距離量子糾纏分發的輔助，量子態可通過測量再重構的方式完成遠距離的傳輸，傳輸距離在理論上可以是無窮遠。但在現實中，量子糾纏分發的距離和品質會受到信道損耗、消相干等因素的影響。而在外太空，真空環境對光的傳輸幾乎沒有衰減，也沒有退相干效應。因此，將單光子或糾纏光子對傳出大氣層，配合星載平臺技術和光束精確定位技術，就有可能實現自由空間的遠距離量子通信，“墨子號”量子科學實驗衛星便為遠距離量子通信提供了實現的機會。
“本次實驗首先通過‘墨子號’衛星上的糾纏源向相距1200公里的兩個地面站云南麗江站和青海德令哈站分發糾纏，麗江站作為量子態的制備和發送方，德令哈站作為接收方，利用兩地共享的糾纏，再結合基于雙光子路徑-偏振混合糾纏態的量子隱形傳態方案，最終完成了超千公里的遠程量子態的傳輸驗證。”中國科學技術大學上海研究院教授印娟說。
由于大氣湍流的影響，光子在大氣信道中傳播后，實現基于量子干涉的量子態測量是非常困難的。“為了克服遠距離湍流大氣傳輸后的量子光干涉難題，團隊利用光學一體化粘接技術實現了具有超高穩定性的光干涉儀，傳輸可以長期穩定。”印娟告訴記者，本次實驗還對6種典型的量子態進行了驗證，發現平均傳送保真度均超越了經典極限，創下目前地表量子態傳輸的新紀錄。
2016年8月16日，世界首顆量子科學實驗衛星“墨子號”成功發射，這是我國量子科學實驗衛星工程的重要一步。該工程還建設了包括南山、德令哈、興隆、麗江4個量子通信地面站和阿里量子隱形傳態實驗站在內的地面科學應用系統，與量子衛星共同構成天地一體化量子科學實驗系統。借助該工程，潘建偉研究團隊陸續取得了大量研究突破。
2017年8月12日，團隊在國際上首次成功實現千公里級的星地雙向量子通信，為構建覆蓋全球的量子保密通信網絡奠定了堅實的科學和技術基礎。同年9月29日，世界首條量子保密通信干線“京滬干線”與“墨子號”科學實驗衛星進行天地鏈路，成功實現了洲際量子保密通信，標志著我國在全球已構建出首個天地一體化廣域量子通信網絡雛形。2018年1月，團隊在中國和奧地利之間首次實現距離達7600公里的洲際量子密鑰分發，并利用共享密鑰實現加密數據傳輸和視頻通信，標志著“墨子號”已具備實現洲際量子保密通信的能力。2020年6月15日，“墨子號”量子科學實驗衛星在國際上首次實現千公里級基于糾纏的量子密鑰分發，不僅將以往地面無中繼量子密鑰分發的空間距離提高了一個數量級，并且通過物理原理確保了即使在衛星被他方控制的極端情況下，依然能夠實現安全的量子密鑰分發。
“得益于‘墨子號’衛星平臺，我們可以克服指數級增長的大氣衰減，相繼突破了鏈路效率的限制和光子自由空間遠程傳輸干涉等技術，實現了無中繼糾纏量子密鑰分發和量子態遠程態傳輸。隨著地面站也在升級改造中不斷精益求精，我們得以充分發揮這顆衛星的潛力，開展擴展實驗并取得很好的結果。”印娟認為，目前的研究成果使自由空間量子通信向實現更復雜的量子信息任務邁進，也為我國在未來構建出全球化天地一體的量子信息處理和量子通信網絡奠定了重要基礎，有助于我國在量子通信技術實用化整體水平上保持和擴大國際領先地位，實現國家信息安全和信息技術水平跨越式提升。