中國(guó)在4年前發(fā)射“墨子號(hào)”衛(wèi)星，試驗(yàn)了遠(yuǎn)距離量子通信的一些關(guān)鍵技術(shù)。而美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）則考慮退一步，先利用國(guó)際空間站上的激光器練手。
據(jù)科技媒體《連線》（WIRED）報(bào)道，今年年初，包括MIT林肯實(shí)驗(yàn)室光通信技術(shù)小組負(fù)責(zé)人斯科特 漢密爾頓（Scott Hamilton）、NASA量子科學(xué)與技術(shù)小組負(fù)責(zé)人納澤爾 巴格特（Nasser Barghouty）在內(nèi)的量子物理學(xué)家們齊聚加州大學(xué)伯克利分校，共商N(yùn)ASA量子通信的未來。
主要議題之一是，是先在空間站上演示，還是直接上量子通信衛(wèi)星。
要知道，國(guó)際空間站在較低的軌道上，只能看到地球表面的局部。要想在遠(yuǎn)距離之間建立量子鏈路，需要一顆更高軌的衛(wèi)星。
NASA建造量子衛(wèi)星鏈路的計(jì)劃代號(hào)為“馬可尼2.0”，致敬第一個(gè)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離無線電傳輸?shù)囊獯罄l(fā)明家伽利爾摩 馬可尼（Guglielmo Marconi）。其大致思路是在2020年代中后期建立歐洲和北美之間的天基量子鏈路，但具體細(xì)節(jié)仍在討論中。
漢密爾頓對(duì)《連線》表示，他預(yù)計(jì)NASA會(huì)在一兩年內(nèi)公布量子通信計(jì)劃的最終路線圖。與此同時(shí)，他和同事們會(huì)繼續(xù)研究從2018年起與NASA合作開發(fā)的空間量子技術(shù)。
量子互聯(lián)網(wǎng)的野心要“上天”
據(jù)澎湃新聞報(bào)道，美國(guó)白宮網(wǎng)站曾在今年年初發(fā)布一份《美國(guó)量子網(wǎng)絡(luò)戰(zhàn)略構(gòu)想》，提出美國(guó)將開辟量子互聯(lián)網(wǎng)，確保量子信息科學(xué)（QIS）惠及大眾。這與美國(guó)2021年度政府財(cái)政預(yù)算提案中量子技術(shù)研發(fā)經(jīng)費(fèi)的大幅上漲交相呼應(yīng)。
這份文件將量子互聯(lián)網(wǎng)描述為一張由量子計(jì)算機(jī)和其他量子設(shè)備組成的龐大網(wǎng)絡(luò)，將加速現(xiàn)有互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，提高通信安全性，并使計(jì)算技術(shù)發(fā)生劇變。
隸屬于美國(guó)能源部的阿貢和費(fèi)米這兩個(gè)同在伊利諾伊州的國(guó)家實(shí)驗(yàn)室有望成為這張國(guó)家性量子互聯(lián)網(wǎng)上的首兩個(gè)節(jié)點(diǎn)，今夏就將進(jìn)行試驗(yàn)性項(xiàng)目，通過芝加哥郊區(qū)地下一段30英里長(zhǎng)的光纖來交換量子信息，建立雙向鏈路。
不過，要覆蓋長(zhǎng)距離的野心可能要借助天基中繼站，正如現(xiàn)有電信網(wǎng)絡(luò)的形態(tài)。
量子通信依賴愛因斯坦口中“鬼魅般的遠(yuǎn)距作用”，即量子糾纏。處于糾纏態(tài)的兩個(gè)量子不論相距多遠(yuǎn)都存在一種關(guān)聯(lián)，其中一個(gè)量子狀態(tài)發(fā)生改變（比如人們對(duì)其進(jìn)行測(cè)量），另一個(gè)的狀態(tài)會(huì)瞬時(shí)發(fā)生相應(yīng)改變。
但這樣精妙的狀態(tài)很容易被干擾破壞，難以承受真實(shí)環(huán)境中的長(zhǎng)距離傳輸。
今年年初，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉團(tuán)隊(duì)與濟(jì)南量子技術(shù)研究院合作，實(shí)現(xiàn)了509公里真實(shí)環(huán)境光纖的雙場(chǎng)量子密鑰分發(fā)，這是光纖上的最遠(yuǎn)距離。
還有一種方案就是通過衛(wèi)星中繼。2017年，潘建偉團(tuán)隊(duì)利用世界首顆量子通信實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星“墨子號(hào)”，創(chuàng)下了 1200千米的量子糾纏分發(fā)世界紀(jì)錄。
該實(shí)驗(yàn)成功證明了一對(duì)糾纏光子可以在星地長(zhǎng)途跋涉中幸存下來，同時(shí)抵達(dá)兩個(gè)地面站。這是實(shí)現(xiàn)天基量子通信的基礎(chǔ)。
空地“糾纏交換”
不過，漢密爾頓對(duì)《連線》表示，這是個(gè)突破性的演示，但“你不能用它來組成一張量子網(wǎng)絡(luò)，因?yàn)楣庾邮窃陔S機(jī)時(shí)間到達(dá)的，而且它沒有傳送任何量子信息”。
通常，一堆糾纏光子是由單一光源產(chǎn)生的。一束激光達(dá)到一種特殊晶體上，就彈出了兩個(gè)相同的光子，一份拷貝留在發(fā)送者手中，另一個(gè)送到接收者手中。
NASA計(jì)劃用一種“糾纏交換”技術(shù)將兩個(gè)不同光源的光子糾纏在一起，這樣，光子就可以從一個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)傳遞到另一個(gè)節(jié)點(diǎn)，起到經(jīng)典通信系統(tǒng)里面中繼器的作用。
“糾纏交換是遠(yuǎn)距離傳播糾纏的必要條件，”NASA戈達(dá)德飛行中心的光學(xué)物理學(xué)家Babak Saif說，“這是邁向量子互聯(lián)網(wǎng)的第一步。”
NASA的設(shè)想是，一對(duì)糾纏光子a和b由國(guó)際空間站產(chǎn)生，另一對(duì)糾纏光子c和d由地面站產(chǎn)生。來自太空的b和來自地球的c被發(fā)送到一個(gè)量子裝置執(zhí)行貝爾測(cè)量，從而導(dǎo)致剩下的a和d糾纏起來。下一步是將a發(fā)送到地球上的另一個(gè)地面站，并重復(fù)這個(gè)過程。這讓兩個(gè)沒有物理鏈路的地面站之間的光子糾纏起來。
激光器在哪里？
雖然理論很清晰，但Saif認(rèn)為正確把握時(shí)機(jī)是一個(gè)重大挑戰(zhàn)。糾纏交換要求以非常精確的時(shí)間發(fā)送糾纏光子，來自太空和地球的光子同時(shí)抵達(dá)，并在不破壞其所攜帶信息的情況下對(duì)其進(jìn)行測(cè)量。
此外，從400公里外、每小時(shí)移動(dòng)28000公里的國(guó)際空間站上射出的光子，需要以完美精度擊中小型接收器。
當(dāng)然，在這些技術(shù)考慮之外，還有一個(gè)致命的顯示問題：國(guó)際空間站上根本就沒有這樣一個(gè)激光器。
美國(guó)宇航局上次在太空激光通信方面做重大實(shí)驗(yàn)還是在2013年，當(dāng)時(shí)實(shí)現(xiàn)了地球和繞月衛(wèi)星之間600M的數(shù)據(jù)傳輸速度，比大多數(shù)家庭的寬帶都要快。不幸的是，實(shí)驗(yàn)成功后不久，NASA就設(shè)計(jì)讓那顆衛(wèi)星撞向月球，以便研究它在撞擊時(shí)激起的塵埃，一個(gè)非常優(yōu)秀的激光通信系統(tǒng)就此折戟沉沙。
下一個(gè)繼承者是計(jì)劃在明年初發(fā)射的激光通信中繼演示（LCRD）衛(wèi)星。它的搭檔ILLUMA-T激光通信站則會(huì)在2022年在國(guó)際空間站上就位，通過LCRD衛(wèi)星將數(shù)據(jù)中繼到地面。
這條激光交叉鏈路將為空間光通信網(wǎng)絡(luò)奠定基礎(chǔ)，使下一代月球探險(xiǎn)家能夠從月球表面?zhèn)骰馗咔逦纫曨l。量子物理學(xué)家盯上它們也是順理成章。
“既然我們已經(jīng)在為空間站建造一個(gè)光學(xué)設(shè)備，我們?yōu)槭裁床欢嘧咭徊剑蛊涑蔀榱孔釉囼?yàn)臺(tái)呢？”巴格特說道。
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