近日，中國科學技術(shù)大學潘建偉院士團隊利用“墨子號”量子科學實驗衛(wèi)星，在遠距離量子態(tài)傳輸方面取得重要實驗進展，實現(xiàn)了1200公里地表量子態(tài)傳輸?shù)男录o錄。

前述團隊潘建偉院士及同事彭承志、陳宇翱、印娟等在實驗中首次實現(xiàn)了地球上相距1200公里的兩個地面站之間量子態(tài)遠程傳輸，向構(gòu)建全球化量子信息處理和量子通信網(wǎng)絡(luò)邁出了重要一步。相關(guān)成果在線發(fā)表于《物理評論快報》(Physical Review Letters)。

圖片來自《物理評論快報》(Physical Review Letters)

早在2012年，中科大潘建偉團隊在國際上首次實現(xiàn)百公里量級的自由空間量子隱形傳態(tài)和糾纏分發(fā)，通過地基實驗，證明了實現(xiàn)基于衛(wèi)星的全球量子通信網(wǎng)絡(luò)的可行性。

遠距離量子態(tài)傳輸(QST)通?？梢岳昧孔与[形傳態(tài)來實現(xiàn)，是構(gòu)建量子通信網(wǎng)絡(luò)的重要實現(xiàn)途徑之一，也是實現(xiàn)多種量子信息處理任務(wù)的必要元素。通過遠距離量子糾纏分發(fā)的輔助，量子態(tài)可通過測量然后再重構(gòu)的方式完成遠距離傳輸，傳輸距離在理論上可以達到無窮遠。

星地量子密鑰分發(fā)實驗，2017年5月拍攝于烏魯木齊南山，多張照片合成了衛(wèi)星過境的全貌，背景是恒星的星軌，圖片來自中科院

但在實現(xiàn)中，量子糾纏分發(fā)的距離和品質(zhì)會受到信道損耗、消相干等因素的影響，如何不斷突破傳輸距離的限制，一直是該領(lǐng)域的重要研究目標之一。

利用星載糾纏源，向遙遠的兩地先進行糾纏分發(fā)，再進行量子態(tài)的制備與重構(gòu)，是實現(xiàn)遠距離量子態(tài)傳輸?shù)淖羁赡苈窂街?。然而，由于大氣湍流影響，光子在大氣信道中傳播后，要實現(xiàn)基于量子干涉的量子態(tài)測量是非常困難的。

在以往實驗中，量子態(tài)傳輸?shù)闹苽浞蕉际橇孔蛹m纏源的擁有者，無法真正意義上由第三方提供糾纏來實現(xiàn)先分發(fā)后傳態(tài)的量子態(tài)傳輸。2016年，隨著“墨子號”量子科學實驗衛(wèi)星成功發(fā)射，研究團隊首先實現(xiàn)了千公里的雙站糾纏分發(fā)，“墨子號”平臺為量子通信實驗提供了寶貴的糾纏分發(fā)資源。

墨子號量子通信衛(wèi)星模型，圖片來自人民視覺

此次，為了克服遠距離湍流大氣傳輸后的量子光干涉難題，實驗團隊利用光學一體化粘接技術(shù)實現(xiàn)了具有超高穩(wěn)定性的光干涉儀，無需主動閉環(huán)即可長期穩(wěn)定。利用該技術(shù)突破，結(jié)合基于雙光子路徑-偏振混合糾纏態(tài)的量子隱形傳態(tài)方案，在云南麗江站和德令哈地面站之間完成了遠程量子態(tài)的傳輸驗證。實驗中對六種典型的量子態(tài)進行了驗證，傳送保真度均超越了經(jīng)典極限。

前述研究實現(xiàn)的千公里距離成為目前地表量子態(tài)傳輸?shù)男录o錄，為未來構(gòu)建全球化的量子信息處理網(wǎng)絡(luò)奠定了重要基礎(chǔ)。審稿人評價，“這個實驗比以前實驗更具挑戰(zhàn)性，克服了重大的技術(shù)挑戰(zhàn)，對未來量子通信的應(yīng)用具有重要意義。”

千公里量子態(tài)傳輸，圖片來自中科大

論文共同第一作者為中科大博士后李波和副研究員曹原。前述研究獲得中科院、國家自然科學基金委、科技部、安徽省、上海市等支持。