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中國衛星破記錄:量子加密訊號傳送距離增至 1,200 公里

2017/6/19 — 18:25

德令哈、麗江之間相距 1,203 公里,但墨子號仍成功傳光子傳送。
Credit: 潘建偉

德令哈、麗江之間相距 1,203 公里,但墨子號仍成功傳光子傳送。
Credit: 潘建偉

全球首個、由中國與奧地利合作設計的量子科學實驗衛星墨子號,在發射不足一年後成功將量子糾纏 (Quantum entanglement) 光子由太空送回地面兩個相距 1,200 公里的收發站。

這是全球量子加密通訊,甚至是量子互聯網的第一步——奧地利量子物理學家 Anton Zeilinger 

要建立加密量子網絡其中一個難題是,訊號接收與發射點兩者的交換糾纏光子能力難以控制,因為不論距離只要人類測量糾纏光子,即會影響另一方狀態。

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而人類則需要一系列糾纏光子測量才能為量子通訊建立加密密鑰,從而加密訊息;如果有人試圖攔截和轉發糾纏光子,會破壞糾纏狀態,收發雙方就知道有黑客入侵,通訊安全性因此大大增加。

去年,中國研究團隊以非商用光纖,成功將糾纏光子在 404 公里之間傳送。在上周五 (16.6) 刊於《科學》的論文指,團隊已成功將多對糾纏光子從墨子號送到地面收發站,距離為 1203 公里刷新新記錄。領導研究的中國科學技術大學常務副校長潘建偉指,這個創舉足足花了團隊 14 年時間。

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團隊首先確保糾纏光子源在衛星發射的嚴峻狀態下仍然糾纏:在地面他們成功測試到小型望遠鏡將光子聚焦到遙遠的接收器上。 2016 年 8 月,中國將墨子號發射到約 500 公里高軌道,每晚同樣時間以同樣路線在中國上空出現。之後,團隊面臨挑戰是地面收發站追踪快速飛過的衛星,新疆烏魯木齊南山、青海德令哈、雲南麗江的三個光學望遠鏡每晚都會鎖定衛星,進行光通信以接收糾纏光子。

地面收發站利用調適光學 (Adaptive optics) 技術,實時測量地球大氣的湍流並消除其模糊影響。團隊亦利用技術消除月光和城市光污染,減少影響衛星傳送的雜訊。每晚的連接大概為 275 秒左右,必須同時在相距 1,203 公里的德令哈、麗江之間或相距 1,120 公里的德令哈與南山進行傳送。不過隨距離增加,訊號強度就會越弱,現時每秒只能傳輸到一對光子。

Zeilinger 指這是中國一個非常重要的成就,亦證明到中國真的能夠掌握光學方式追踪衛星。潘建偉表示,研究下一步將會在白天試行傳送訊號;面對更多的太陽光影響,或會破壞光子糾纏,團隊會將衛星送入更高軌道,令其在中國上空的時間更長。

研究團隊亦測試了量子力學的基本原理。愛因斯坦曾質疑量子力學容許量子糾纏,未能完整描述物理世界且一定有未知解釋這奇怪性。他更稱之為「幽量般超距作用 (spooky action at a distance) 」。但團隊進行的測試表明,量子奇怪性是真確的,未能用任何愛因斯坦猜想來解釋。

來源:
New Scientist, Chinese satellite beats distance record for quantum entanglement, 15 June 2017

報告:
Yin, J., Cao, Y., Li, Y.H. & et al. (2017). Satellite-based entanglement distribution over 1200 kilometers. Science  16 Jun 2017: Vol. 356, Issue 6343, pp. 1140-1144. DOI: 10.1126/science.aan3211

文/Alan Chiu 、審核/Edward Ho

 

 

 

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