中國在4年前發射“墨子號”衛星，試驗了遠距離量子通信的一些關鍵技術。而美國國家航空航天局（NASA）則考慮退一步，先利用國際空間站上的激光器練手。
據科技媒體《連線》（WIRED）報道，今年年初，包括MIT林肯實驗室光通信技術小組負責人斯科特 漢密爾頓（Scott Hamilton）、NASA量子科學與技術小組負責人納澤爾 巴格特（Nasser Barghouty）在內的量子物理學家們齊聚加州大學伯克利分校，共商NASA量子通信的未來。
主要議題之一是，是先在空間站上演示，還是直接上量子通信衛星。
要知道，國際空間站在較低的軌道上，只能看到地球表面的局部。要想在遠距離之間建立量子鏈路，需要一顆更高軌的衛星。
NASA建造量子衛星鏈路的計劃代號為“馬可尼2.0”，致敬第一個實現遠距離無線電傳輸的意大利發明家伽利爾摩 馬可尼（Guglielmo Marconi）。其大致思路是在2020年代中后期建立歐洲和北美之間的天基量子鏈路，但具體細節仍在討論中。
漢密爾頓對《連線》表示，他預計NASA會在一兩年內公布量子通信計劃的最終路線圖。與此同時，他和同事們會繼續研究從2018年起與NASA合作開發的空間量子技術。
量子互聯網的野心要“上天”
據澎湃新聞報道，美國白宮網站曾在今年年初發布一份《美國量子網絡戰略構想》，提出美國將開辟量子互聯網，確保量子信息科學（QIS）惠及大眾。這與美國2021年度政府財政預算提案中量子技術研發經費的大幅上漲交相呼應。
這份文件將量子互聯網描述為一張由量子計算機和其他量子設備組成的龐大網絡，將加速現有互聯網的發展，提高通信安全性，并使計算技術發生劇變。
隸屬于美國能源部的阿貢和費米這兩個同在伊利諾伊州的國家實驗室有望成為這張國家性量子互聯網上的首兩個節點，今夏就將進行試驗性項目，通過芝加哥郊區地下一段30英里長的光纖來交換量子信息，建立雙向鏈路。
不過，要覆蓋長距離的野心可能要借助天基中繼站，正如現有電信網絡的形態。
量子通信依賴愛因斯坦口中“鬼魅般的遠距作用”，即量子糾纏。處于糾纏態的兩個量子不論相距多遠都存在一種關聯，其中一個量子狀態發生改變（比如人們對其進行測量），另一個的狀態會瞬時發生相應改變。
但這樣精妙的狀態很容易被干擾破壞，難以承受真實環境中的長距離傳輸。
今年年初，中國科學技術大學潘建偉團隊與濟南量子技術研究院合作，實現了509公里真實環境光纖的雙場量子密鑰分發，這是光纖上的最遠距離。
還有一種方案就是通過衛星中繼。2017年，潘建偉團隊利用世界首顆量子通信實驗衛星“墨子號”，創下了 1200千米的量子糾纏分發世界紀錄。
該實驗成功證明了一對糾纏光子可以在星地長途跋涉中幸存下來，同時抵達兩個地面站。這是實現天基量子通信的基礎。
空地“糾纏交換”
不過，漢密爾頓對《連線》表示，這是個突破性的演示，但“你不能用它來組成一張量子網絡，因為光子是在隨機時間到達的，而且它沒有傳送任何量子信息”。
通常，一堆糾纏光子是由單一光源產生的。一束激光達到一種特殊晶體上，就彈出了兩個相同的光子，一份拷貝留在發送者手中，另一個送到接收者手中。
NASA計劃用一種“糾纏交換”技術將兩個不同光源的光子糾纏在一起，這樣，光子就可以從一個網絡節點傳遞到另一個節點，起到經典通信系統里面中繼器的作用。
“糾纏交換是遠距離傳播糾纏的必要條件，”NASA戈達德飛行中心的光學物理學家Babak Saif說，“這是邁向量子互聯網的第一步。”
NASA的設想是，一對糾纏光子a和b由國際空間站產生，另一對糾纏光子c和d由地面站產生。來自太空的b和來自地球的c被發送到一個量子裝置執行貝爾測量，從而導致剩下的a和d糾纏起來。下一步是將a發送到地球上的另一個地面站，并重復這個過程。這讓兩個沒有物理鏈路的地面站之間的光子糾纏起來。
激光器在哪里？
雖然理論很清晰，但Saif認為正確把握時機是一個重大挑戰。糾纏交換要求以非常精確的時間發送糾纏光子，來自太空和地球的光子同時抵達，并在不破壞其所攜帶信息的情況下對其進行測量。
此外，從400公里外、每小時移動28000公里的國際空間站上射出的光子，需要以完美精度擊中小型接收器。
當然，在這些技術考慮之外，還有一個致命的顯示問題：國際空間站上根本就沒有這樣一個激光器。
美國宇航局上次在太空激光通信方面做重大實驗還是在2013年，當時實現了地球和繞月衛星之間600M的數據傳輸速度，比大多數家庭的寬帶都要快。不幸的是，實驗成功后不久，NASA就設計讓那顆衛星撞向月球，以便研究它在撞擊時激起的塵埃，一個非常優秀的激光通信系統就此折戟沉沙。
下一個繼承者是計劃在明年初發射的激光通信中繼演示（LCRD）衛星。它的搭檔ILLUMA-T激光通信站則會在2022年在國際空間站上就位，通過LCRD衛星將數據中繼到地面。
這條激光交叉鏈路將為空間光通信網絡奠定基礎，使下一代月球探險家能夠從月球表面傳回高清晰度視頻。量子物理學家盯上它們也是順理成章。
“既然我們已經在為空間站建造一個光學設備，我們為什么不多走一步，使其成為量子試驗臺呢？”巴格特說道。
|
