中国准备发射世界上第一颗旨在进行量子实验的卫星。 随后可能会有一批具有量子功能的航天器。
首先可能是更多的中国卫星，它们将共同创建一个超安全的通信网络，有可能将世界各地的人们联系起来。 但来自加拿大、日本、意大利和新加坡的团队也有量子空间实验的计划。
“我绝对认为会有一场竞赛，”陆朝阳说道，他是中国科学技术大学合肥分校的物理学家，他与中国卫星背后的团队合作。这颗重达 600 公斤的航天器是中国一系列中国空间科学卫星中的最新一颗，将于 8 月从酒泉卫星发射中心发射。中国科学院和奥地利科学院是这项耗资 1 亿美元的任务的合作者。
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量子通信是安全的，因为任何篡改都是可检测的。双方可以通过共享编码在光子串偏振中的加密密钥进行秘密通信，确信任何窃听都会留下痕迹。
到目前为止，科学家们已经成功地演示了大约 300 公里的量子通信。通过光纤和空气传播的光子会被散射或吸收，并且在保持光子脆弱的量子态的同时放大信号是非常困难的。中国研究人员希望通过太空传输光子，使其传播更加顺畅，从而实现更远距离的通信。
他们卫星的核心是一个晶体，可以产生成对的纠缠光子，无论它们相隔多远，其特性都保持纠缠。该航天器的首要任务是将这些配对中的伙伴发射到北京和维也纳的地面站，并利用它们生成密钥。
在为期两年的任务中，该团队还计划进行一项称为贝尔测试的统计测量，以证明纠缠可以存在于相隔 1200 公里的粒子之间。尽管量子理论预测纠缠会持续任何距离，但贝尔测试将证明这一点。
该团队还将尝试“隐形传输”量子态，使用一对纠缠的光子以及通过更传统的方式传输的信息，在新的位置重建光子的量子态。
“如果第一颗卫星运行良好，中国肯定会发射更多，”陆朝阳说。他补充说，大约需要 20 颗卫星才能在全球范围内实现安全通信。
来自中国境外的团队正在采取不同的策略。新加坡国立大学（NUS）和英国斯特拉斯克莱德大学之间的合作正在使用廉价的5 公斤的立方体卫星进行量子实验。去年，该团队发射了一颗立方体卫星，在轨道上创建并测量了成对的“相关”光子；明年，它希望发射一种产生完全纠缠对的设备。
NUS 物理学家亚历山大·林 (Alexander Ling) 表示，立方体卫星的成本仅为每颗 10 万美元，这使得天基量子通信成为可能，他正在领导该项目。
一个加拿大团队提议在地面上生成成对的纠缠光子，然后将其中一些光子发射到重量不到 30 公斤的微型卫星上。滑铁卢大学的物理学家、加拿大量子加密与科学卫星（QEYSSat）团队的成员布伦登·希金斯表示，这比在太空中生成光子要便宜。但是，将光子传递到移动卫星将是一个挑战。该团队计划先使用飞机上的光子接收器测试该系统。
意大利帕多瓦大学的一个团队在 Paolo Villoresi 的领导下，提出了更简单的量子空间科学方法，即将反射器和其他简单的设备添加到常规卫星上。去年，该团队表明，从现有卫星反射回地球的光子保持了其量子态，并且接收到的错误率足够低，可以进行量子密码术 (G. Vallone et al. Phys. Rev. Lett. 115, 040502; 2015)。研究人员说，原则上，该方法可以用来生成密钥，尽管速度比更复杂的设置要慢。
研究人员还提出了在国际空间站 (ISS) 上进行的量子实验，该实验将同时纠缠光子的两个不同特性的状态 — 一种称为超纠缠的技术 — 以使隐形传输更加可靠和高效。
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，除了使通信更加安全之外，这些卫星系统还将标志着朝着由世界各地的量子计算机组成的“量子互联网”或量子计算云迈出的重要一步，他正在与 NASA 在国际空间站项目上合作。
维也纳奥地利科学院的物理学家安东·塞林格说，量子互联网很可能涉及卫星和地面链路的组合，他曾在加入中国团队之前，曾为欧洲量子卫星进行过不成功的辩论。并且仍然存在一些挑战。例如，物理学家将需要找到卫星彼此直接通信的方法；完善纠缠来自不同来源的光子的艺术；以及将使用单个光子进行的数据传输速率从每秒兆比特提高到每秒千兆比特。
塞林格说，如果中国团队取得成功，其他团队应该更容易获得量子卫星的资金。 在这场特殊的太空竞赛中，美国相对低调，但塞林格认为，它可能正在进行更多关于该主题的机密工作。
最终，太空中的量子隐形传输甚至可以使研究人员能够组合来自卫星的光子，以制造一个有效孔径与地球大小相当的分布式望远镜，并具有巨大的分辨率。“你不仅能看到行星，”克维亚特说，“原则上还能读取木星卫星上的车牌。”
本文经许可转载，并于 2016 年 7 月 28 日首次发表。