新加坡科學家用立方星演示量子糾纏,向全球量子通信網絡邁進!

2020-12-16 環球創新智慧

導讀

據美國光學學會（OSA）官網和新加坡國立大學量子技術中心（CQT）官網近日報導，新加坡國立大學量子技術中心領導的科研團隊成功在立方星上演示了量子糾纏。這項研究朝著創造全球量子通信網絡的目標邁出了關鍵一步。

背景

量子糾纏，是當代量子力學中的一個關鍵概念，由愛因斯坦、波多爾斯基、羅森塔爾在1935年提出，距今已有近百年歷史。愛因斯坦曾稱這種神奇的物理現象為「鬼魅般的超距作用」。

加拿大魁北克大學國立科學研究院開發的片上頻率梳可同時產生多光子糾纏的量子狀態。（圖片來源：魁北克大學國立科學研究院）

什麼是量子糾纏？簡單說，它是指在由兩個或兩個以上的粒子（例如光子）組成的系統中，粒子之間相互影響的現象。無論兩個粒子之間相距有多遙遠，一個粒子的行為將會影響另一個的狀態。當其中一個粒子的狀態由於被測量而發生變化時，另一個粒子的狀態也會隨即發生相應的變化。

基於量子糾纏，研究人員有望開發出適合遠距離即時通信的安全量子通信網絡。無論處於糾纏狀態的光子之間相隔多遠，只要測量了其中一個光子的狀態，另一個光子的狀態也會相應確定，這一特性可以用來在遙遠兩地的用戶間直接產生密鑰。利用衛星作為量子糾纏源，通過自由空間信道在遙遠兩地直接分發糾纏，為現有技術條件下實現基於糾纏的量子保密通信提供了可行的道路。

（圖片來源：SQO團隊，渥太華大學）

前不久，中國科學技術大學潘建偉院士團隊聯合牛津大學等國內外團隊，利用全球首顆量子科學實驗衛星「墨子號」，在國際上首次實現千公裡級基於糾纏的量子密鑰分發。相關研究成果於6月15日在線發表在《自然》雜誌上。

基於糾纏的無中繼千公裡量子保密通信實驗示意圖。（圖片來源：中國科學技術大學）

據論文介紹，「墨子號」衛星同時與新疆烏魯木齊南山站和青海德令哈站兩個地面站建立光鏈路，以每秒2對的速度在地面超過1120公裡的兩個站之間建立量子糾纏，進而在有限碼長下以每秒0.12比特的最終碼速率產生密鑰。「墨子號」高度為1.7米，重約640千克，其中包括一個重達23.8千克的量子光源。「墨子號」出色地證明了通過衛星開展量子通信的可行性，甚至可在數千公裡內傳輸糾纏的光子，打破了量子隱形傳態的距離記錄。不過，想要建立一個真正的全球量子通信網絡，還是需要將量子通信衛星造得更小巧、更節能、更低成本，並能夠承受太空環境中的極端情況。創新就在中國科學家宣布用「墨子號」衛星實現基於量子糾纏的量子密鑰分發後10天，新加坡國立大學量子技術中心領導的科研團隊成功在立方星（CubeSat）上實現了量子糾纏。這項研究的相關論文發表在美國光學學會著名學術期刊《Optica》上。儘管只是做到了量子糾纏這第一步，還沒有產生量子密碼，但是這種小體積、低成本的設備仍然備受關注。

SpooQy-1立方星（圖片來源：NASA）

論文領導作者、新加坡國立大學量子技術中心的艾託·維拉爾（Aitor Villar）表示：「未來，我們的系統可能成為全球量子網絡的一部分，將量子信號傳送到地球或者其他太空飛行器上的接收器。這些信號可用於實現任何類型的量子通信應用，從量子密鑰分發到量子隱形傳態。量子密鑰分發可用於極其安全的數據傳輸，而量子隱形傳態是通過遠距離複製量子系統的狀態來傳送信息。」

技術

什麼是立方星（CubeSat）？立方星是一種採用國際通用標準的低成本微納衛星，其重量為1千克，體積為10釐米×10釐米×10釐米（也叫1U）。若干顆立方星（若干個U）可以組成立方體納衛星。

形象點說，「1U」的立方星可以看成是一個小盒子，盒子裡可以裝上衛星所需要的模塊（例如：星載計算機、電源模塊、通信模塊、天線系統模塊、姿態控制板模塊以及用於科學研究的各種實驗儀器），外部會裝上天線（用於通信）、太陽能電池板（用於供電）等。

挪威的Ncube-2立方星（圖片來源：維基百科）

立方星採用通用化、模塊化、標準化設計理念，具有研製成本低、功能密度大、技術成熟度高、研製周期短等優勢，可廣泛用於通信廣播、對地觀測、科技試驗等各個領域。

SpooQy-1 是一顆重達2.6千克、鞋盒大小的3U立方星。它於2019年4月首次從美國發射至國際空間站，隨後於2019年6月17日在空間站太空人的幫助下進入軌道。

從國際空間站部署到軌道的 SpooQy-1 立方星（圖片來源：NASA）

對於許多量子通信應用來說，「糾纏」這一量子力學現象都是至關重要的。但是由於長距離會發生光損耗，所以通過光纖創建用於分發糾纏的全球網絡是不可行的。在太空中為小型標準化衛星配備量子儀器，是應對這一挑戰的一種經濟有效的方法。首先，研究人員需要證明用於量子糾纏的微型光子源可以在發射應力下保持完好無損，並在衛星內提供最小能量的惡劣環境中成功運行。為了實現這一目標，他們詳盡地檢查了用於產生量子糾纏的光子對源的每個組件，看看這些組件是否可以做得更小、更堅固。維拉爾表示：「在每個開發階段，我們都積極地關注質量、尺寸和功率的預算。我們通過快速的原型製作和測試來進行迭代設計，為糾纏光子對源所需的所有現成組件提供了一個強大的小型封裝。」新的小型化光子對源包含一個藍色雷射二極體，該二極體將光線照在非線性晶體上以產生成對的糾纏光子。要實現高質量的糾纏，就需要重新設計支架，以高精度和高穩定性將非線性晶體排列整齊。

研究人員開發了一個僅20釐米×10釐米尺寸的量子糾纏源。（圖片來源：新加坡國立大學量子技術中心）

研究人員通過測試他們的新儀器在火箭發射和太空操作過程中承受振動和熱變化的能力，證明它可以勝任太空任務。整個測試過程中，光子對源始終保持非常高質量的糾纏，即使溫度在從-10°C到40°C的範圍內反覆波動，晶體排列也能保持原狀。然後，研究人員將新儀器整合到 SpooQy-1 中，該儀器在16°C至21.5°C的溫度範圍內成功生成了糾纏的光子對。

SpooQy-1 內含一個微型量子信號源，可以創造出量子糾纏的光子對。（圖片來源：NASA & CQT）

價值維拉爾表示：「太空基全球量子網絡正在迅速發展。我們希望我們的工作能啟發下一波太空基量子技術，並希望新應用和新技術能夠從我們的實驗結果中受益。」此外，他還表示：「該研究表明，小型化糾纏技術能夠工作得很好，同時保持很低的功耗。這是朝以低成本方式部署可服務於全球量子網絡的衛星組網邁出的重要一步。」未來SpooQy-1 受到來自新加坡和瑞士的地面站控制，但它並沒有試圖把量子信號發送至地球。這是下一階段目標。為了達到這個目標，新加坡國立大學量子技術中心的研究人員與英國 RAL Space 展開合作，設計並構造類似 SpooQy-1 的量子納衛星，這種衛星能將糾纏光子從太空射向地面接收器。其中一部分工作在從新加坡國立大學量子技術中心拆分出來的初創公司 SpeQtral 開展，對基於衛星的量子通信系統進行商業化。論文合著者之一、SpeQtral 公司的首席技術官羅伯特·貝丁頓（Robert Bedington）表示：「在下一個任務中，我們將朝著立方星對地面（CubeSat-to-ground）的量子通信努力，從而在全球範圍內分享安全密鑰。對於那些需要保護他們的網絡免受最老練的黑客攻擊的公司來說，這個功能頗具吸引力。」下一顆量子納衛星預計將在2022年發射。

關鍵詞

量子、光子、衛星

參考資料

【1】Aitor Villar, Alexander Lohrmann, Xueliang Bai, Tom Vergoossen, Robert Bedington, Chithrabhanu Perumangatt, Huai Ying Lim, Tanvirul Islam, Ayesha Reezwana, Zhongkan Tang, Rakhitha Chandrasekara, Subash Sachidananda, Kadir Durak, Christoph F. Wildfeuer, Douglas Griffin, Daniel K. L. Oi, Alexander Ling. Entanglement demonstration on board a nano-satellite. Optica, 2020; 7 (7): 734 DOI: 10.1364/OPTICA.387306

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