在一项具有里程碑意义的研究中，一个中国科学家团队使用一颗实验卫星，以前所未有的距离测试了量子纠缠，将纠缠光子对束缚到中国各地的三个地面站——每个地面站之间相隔超过 1200 公里。这项测试验证了量子理论中一个神秘而长期存在的原则，并确立了中国在蓬勃发展的“量子太空竞赛”中的领跑者地位，这场竞赛旨在创建一个安全的、基于量子的全球通信网络——也就是说，一个潜在的、无法破解的“量子互联网”，它将具有巨大的地缘政治重要性。这项研究结果于 2017 年发表在《科学》杂志上。
日内瓦大学的物理学家尼古拉斯·吉辛说：“中国在量子通信领域取得了领先地位。”他没有参与这项研究。“这表明全球量子通信是可能的，并且将在不久的将来实现。”
量子通信的概念被认为是安全性的黄金标准，部分原因是任何有损的监视都会在传输中留下印记。传统的加密消息需要密钥才能解密，但这些密钥在发送到以太网时容易受到窃听。然而，在量子通信中，这些密钥可以编码在纠缠光子的各种量子态中——例如它们的偏振——如果消息被窃听者拦截，这些状态将不可避免地被改变。地面量子通信通常通过光纤电缆或露天发送纠缠光子对。但是，沿途与普通原子的碰撞会扰乱光子脆弱的量子态，从而将传输距离限制在几百公里以内。配备“量子存储”模块的复杂设备，称为量子中继器，原则上可以串联在一起，以接收、存储和重新传输跨越更长距离的量子密钥，但是这项任务非常复杂和困难，以至于此类系统在很大程度上仍然是理论上的。
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伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的物理学家保罗·克维亚特说：“量子中继器必须接收来自两个不同地方的光子，然后将它们存储在量子存储器中，然后将它们彼此直接干涉”，然后再沿网络发送进一步的信号。他与中国团队无关。“但是，为了做到这一切，您必须知道您已经存储了它们，而无需实际测量它们。”克维亚特说，这种情况有点像知道您在邮件中收到了什么，而无需查看邮箱或打开里面的包裹。“您可以摇动包裹——但如果您收到的只是光子，那将很难做到。您想确保您已收到它们，但您不想吸收它们。原则上，这是可能的——毫无疑问——但这非常难做到。”
因此，要形成一个环绕地球的安全量子通信网络，唯一可用的解决方案是通过太空真空束缚量子密钥，然后使用地面节点将它们分布到数十至数百公里的范围内。墨子号卫星于 2016 年发射到近地轨道，以古代中国哲学家墨子命名，是中国为实现这一目标而做出的首要努力，也是中国耗资 1 亿美元的空间尺度量子实验 (QUESS) 计划的一部分。
墨子号的核心携带了一个晶体和激光器组件，可以生成纠缠光子对，然后将它们分离并通过单独的光束传输到地球视线范围内的地面站。对于最新的测试，三个接收站位于青藏高原的德令哈市和乌鲁木齐市，以及中国西南部的丽江市。德令哈和丽江之间的地理距离为 1203 公里，这是传输纠缠光子对的创纪录距离。
目前，该系统主要仍是概念验证，因为目前报告的墨子号与其接收站之间的数据传输速率太低，无法维持实际的量子通信。在墨子号的晶体核心每秒产生的大约 600 万对纠缠对中，每秒只有大约一对到达地面探测器，这是由于光束在穿过地球大气层和每个接收站的聚光望远镜时减弱了。团队负责人潘建伟是中国科学技术大学（合肥）的物理学家，自 2003 年以来一直推动和计划这项实验，他将这项壮举比作探测到来自月球上某人划燃的单根火柴的单个光子。即便如此，他说，墨子号传输纠缠光子对的效率“比使用最好的电信光纤高万亿倍……。我们完成了一些在没有卫星的情况下绝对不可能完成的事情。”潘说，很快，QUESS 将发射更实用的量子通信卫星。
尽管潘和他的团队后来在 2017 年使用墨子号在中国和奥地利的地面站之间分配量子密钥，实现了安全的洲际通信，但他们最初的演示却旨在实现一项更简单的任务：证明阿尔伯特·爱因斯坦是错误的。
爱因斯坦曾将量子理论最奇异的要素之一——测量一对纠缠粒子中的一个成员似乎会瞬间改变其对应成员的状态，即使该对应粒子位于银河系的另一端——嘲笑为“幽灵般的超距作用”。爱因斯坦对此感到厌恶，因为它表明信息可能以比光速更快的速度在粒子之间传输，从而打破了他狭义相对论设定的宇宙速度限制。相反，他和其他人假设，也许纠缠粒子以某种方式共享“隐藏变量”，这些变量是实验无法触及的，但会决定粒子在测量时的后续行为。1964 年，物理学家约翰·贝尔设计了一种测试爱因斯坦想法的方法，计算了一个物理学家可以统计测量的极限，以衡量隐藏变量可能与纠缠粒子的行为相关的程度。如果实验表明超过了这个极限，那么爱因斯坦的隐藏变量的想法将是不正确的。
自 1970 年代以来，物理学家在越来越大的时空范围内进行的“贝尔测试”表明，爱因斯坦确实错了，纠缠粒子实际上确实超过了贝尔的严格限制。2015 年，荷兰进行了一项决定性的测试，当时代尔夫特理工大学的一个团队关闭了过去实验中一直存在的几个潜在的“漏洞”，并为隐藏变量的影响溜走提供了微小但重要的机会。然而，该测试涉及将纠缠粒子分离仅一公里多一点。借助墨子号在相距遥远的地面站之间传输纠缠光子，潘的团队在 1000 倍更大的距离上进行了贝尔测试。正如以前一样，他们的结果证实爱因斯坦是错误的。量子领域仍然是一个幽灵般的地方——尽管目前还没有人理解为什么。
德克萨斯大学奥斯汀分校的物理学家斯科特·阿伦森说：“当然，任何接受量子力学的人都不可能怀疑可以在那么远的距离——或任何距离——上创建纠缠，但看到它变得具体仍然令人欣慰。”“我们已知的一切都没有表明这个目标是无法实现的。这条新闻的意义不在于它是出乎意料的，或者它颠覆了先前相信的任何东西，而仅仅在于它是多年辛勤工作的令人满意的成果。”
这项工作很大程度上始于 1990 年代，当时中国团队的负责人潘是中国物理学家安东·塞林格在奥地利因斯布鲁克大学的实验室的研究生。塞林格是潘的博士生导师，他们密切合作，测试和进一步发展了量子通信的思想。潘于 2001 年回到中国建立了自己的实验室，塞林格也在维也纳的奥地利科学院建立了一个实验室。在接下来的七年中，他们将激烈竞争，以打破在地面实验中跨越越来越宽的间隙和在越来越极端的条件下传输纠缠光子对的记录。一直以来，这两个人都游说各自国家的航天机构批准一颗可用于从太空测试该技术的卫星。但是塞林格的提案在欧洲航天局的官僚沼泽中消失了，而潘的提案很快被中国国家航天局接受。最终，塞林格选择与他的老学生再次合作，而不是与他竞争；今天，奥地利科学院是 QUESS 计划的关键合作伙伴。
塞林格说：“我很高兴墨子号工作得如此出色。”“但是人们必须意识到，这对欧洲和其他国家来说也是一个错失的机会。”
多年来，其他研究人员和机构一直在争先恐后地追赶，推动政府为地面和太空的进一步实验提供更多资金——他们中的许多人将墨子号的成功视为他们一直在等待的催化事件。安大略省滑铁卢大学的物理学家托马斯·詹内温说：“这是一个重要的里程碑，因为如果我们将来要拥有量子互联网，我们将需要在这些长距离上发送纠缠。”他没有参与这项研究。“这项研究对我们社区的所有人来说都是开创性的——每个人都可以指着它说，‘看，它确实有效！’”
詹内温和他的合作者正在从头开始追求一种天基方法，与加拿大航天局合作计划一颗更小、更简单的卫星，该卫星最终可以充当“通用接收器”，并重新分配从地面站束缚上来的纠缠光子。在新加坡国立大学，由物理学家亚历山大·林领导的国际合作组织已经发射了廉价的鞋盒大小的立方体卫星，以创建、研究甚至可能传输“相关”的光子对——这种情况仅略低于完全纠缠。在美国，克维亚特正在利用美国宇航局的资金开发一种设备，该设备有朝一日可以在国际空间站上使用“超纠缠”（以多种方式同时纠缠光子对）来测试量子通信。
也许最重要的是，由德国埃尔兰根马克斯·普朗克光学科学研究所的格尔德·莱希斯和克里斯托夫·马夸特领导的团队正在为欧洲哥白尼和航天数据高速公路卫星上已在太空中的商用激光系统开发量子通信协议。利用这些系统之一，该团队成功地使用从地球上方约 38,000 公里的地球静止轨道卫星束缚的光子，将简单的量子态编码并发送到地面站。马夸特解释说，这种方法不依赖于纠缠，并且与 QUESS 的方法截然不同——但是，通过最少的升级，它仍然可以用于分发量子密钥以进行安全通信。他们的研究结果发表在《光学》杂志上。
马夸特说：“我们的目的实际上是找到一种捷径，使卫星量子密钥分发等事物在经济上可行且可雇用，非常快速且很快。”“[工程师们]投入了 20 年的辛勤工作来制造这些系统，因此升级它们比从头开始设计一切要容易得多……。如果您可以依靠已经在太空中获得资格的东西，那将是一个非常好的优势，因为太空资格认证非常复杂。通常需要 5 到 10 年的时间才能开发出来。”
然而，马夸特和其他人怀疑，这个领域的进展可能比公开承认的要先进得多，发展可能隐藏在美国和其他地方的官方保密面纱之后。量子通信时代可能已经来临。“我的一位同事开玩笑说，‘美国的沉默非常响亮’，”马夸特说。“他们在洛斯阿拉莫斯[国家实验室]和其他地方有一些关于自由空间卫星和量子密钥分发的非常好的小组，但突然他们停止了出版。因此我们总是说他们停止出版有两个原因：要么它不起作用，要么它效果非常好！”