中國準(zhǔn)備發(fā)射世界上第一顆專為做量子實驗設(shè)計的衛(wèi)星。接下來可能還會有一支帶有量子功能的飛船艦隊。

首先，可能是更多的中國衛(wèi)星，這將創(chuàng)造一個超級安全的通信網(wǎng)絡(luò)，潛在地將世界上任一角落里的人聯(lián)系起來。但是來自加拿大、日本、意大利和新加坡的團隊也有量子空間實驗的計劃。

「我想可以肯定的是，一定會出現(xiàn)競賽，」量子衛(wèi)星團隊成員中國科技大學(xué)的物理學(xué)家陸朝陽說。這個 600 公斤重的飛船是中國空間科學(xué)衛(wèi)星的最新研究成果，將于 8 月在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心發(fā)射。這個價值 1 億美元的任務(wù)的合作者包括中國科學(xué)院和奧地利科學(xué)院。

量子通信很安全，因為它能檢測到任何試圖侵入的東西。通過共享編碼在一串光子的極性中的加密密鑰，兩方可以秘密通信，任何竊聽都會留下痕跡。

到目前為止，科學(xué)家們已經(jīng)成功地證實了大約 300 公里的量子通信。穿過光纖和空氣的光子會被散射或吸收，而且在放大信號的同時保留一個光子的脆弱的量子態(tài)是極其困難的。中國的研究人員希望通過在太空發(fā)射光子使他們能在更大的距離上進(jìn)行通信，因為光子可以在太空中順暢地旅行。

他們的衛(wèi)星的核心是一個能夠產(chǎn)生成對的糾纏光子的晶體，無論它們分開多遠(yuǎn)，其性質(zhì)仍然能糾纏在一起。該飛船的第一個任務(wù)將是發(fā)送這些成對量子中的一方去往在北京和維也納的地面站，并使用它們來生成密鑰。

在這個為期兩年的任務(wù)中，這個團隊也計劃去執(zhí)行一個叫貝爾測試的統(tǒng)計測量，來證明這個糾纏可以存在于相隔1200公里的粒子之間。量子理論預(yù)測糾纏一直存在于任何距離，貝爾測試將會證明這個理論預(yù)測的正確性。

該小組還將嘗試「瞬時傳輸(teleport)」量子狀態(tài)：使用通過傳統(tǒng)方式傳輸來的糾纏光子對及其所攜帶的信息，在一個新位置重建光子的量子狀態(tài)。

「如果首顆衛(wèi)星進(jìn)展順利，中國一定會發(fā)射更多的量子衛(wèi)星，」陸朝陽說。他補充道，如果要在全世界范圍內(nèi)保障通信安全，大約需要 20 顆衛(wèi)星。

而中國以外的量子衛(wèi)星團隊正在采取不同的策略。新加坡國立大學(xué)(NUS)與英國斯凱萊德大學(xué)(University of Strathclyde)的一個合作項目用的是 5 公斤重的廉價衛(wèi)星——被稱為 cubesats(立方體衛(wèi)星)——來進(jìn)行量子實驗。去年這個團隊發(fā)射了一個立方體衛(wèi)星，并在軌道上創(chuàng)造并測量到了成對的「關(guān)聯(lián)的」光子;該團隊希望明年能發(fā)射一個能產(chǎn)生完全糾纏的光子對的設(shè)備。

領(lǐng)導(dǎo)這個團隊的新加坡國立大學(xué)的物理學(xué)家 Alexander Ling 說：立方體衛(wèi)星成本每個僅為 100,000 美元，能讓量子通信更容易被獲取。

一個加拿大的研究小組提出在地面上生成一對糾纏光子，然后將它們中某些發(fā)送到一個不到 30 公斤重的微型衛(wèi)星上。這會比在太空中生成光子要便宜得多，加拿大量子加密和科學(xué)衛(wèi)星(QEYSSat)團隊成員、滑鐵盧大學(xué)物理學(xué)家 Brendon Higgins 說，但將光子發(fā)射到移動的衛(wèi)星上會是一個挑戰(zhàn)。該團隊計劃先使用一個航天飛機上的光子接收器來測試這個系統(tǒng)。

做量子空間科學(xué)還有一個更簡單的方法，該方法由 Paolo Villoresi 在意大利帕多瓦大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)的團隊開創(chuàng)，涉及到向普通衛(wèi)星添加反射器和其它簡單的設(shè)備。去年，這個團隊展示了：從一個現(xiàn)有的衛(wèi)星上反彈到地球的光子可以保持它們的量子狀態(tài)，而且接收時僅帶有錯誤率極低的量子密碼(G. Vallone et al. Phys. Rev. Lett.115, 040502;2015)。研究人員還提出在國際空間站(ISS)內(nèi)進(jìn)行量子實驗，該實驗可同時糾纏兩個不同性質(zhì)的光子的狀態(tài)，以使傳輸更可靠更有效。

來自伊利諾伊大學(xué)烏爾瓦納分校、與 NASA 合作 ISS 項目的 Paul Kwiat 說：在使通信更安全的同時，這些衛(wèi)星系統(tǒng)也標(biāo)志著在邁向「量子互聯(lián)網(wǎng)(quantum internet)」過程中的重要一步，這個量子互聯(lián)網(wǎng)由世界各地的量子計算機構(gòu)成，即量子計算云。

最終，太空中量子通信可能甚至允許研究者結(jié)合衛(wèi)星上的光子做出一個帶有地球那么大的有效孔徑的分布式望遠(yuǎn)鏡 ——它將擁有極其高的分辨率?！改悴粌H能看見行星，」Kwiat 說，「原理上講還能看清木星的衛(wèi)星上車牌?！?/p>