中央纪委国家监委网站 张驰
传输模拟图（图片来源：央视新闻）
实验示意图（研究团队供图）
近日，中国科学技术大学潘建伟院士及同事彭承志、陈宇翱、印娟等利用“墨子号”量子科学实验卫星，首次实现了地球上相距1200公里两个地面站之间的量子态远程传输。2012年，潘建伟团队在国际上首次实现百余公里自由空间量子隐形传态，10年后，他们成功实现了十倍的突破，创造了量子态传输的新世界纪录。
远距离量子态传输通常利用量子隐形传态来实现。通过远距离量子纠缠分发的辅助，量子态可通过测量再重构的方式完成远距离的传输，传输距离在理论上可以是无穷远。但在现实中，量子纠缠分发的距离和品质会受到信道损耗、消相干等因素的影响。而在外太空，真空环境对光的传输几乎没有衰减，也没有退相干效应。因此，将单光子或纠缠光子对传出大气层，配合星载平台技术和光束精确定位技术，就有可能实现自由空间的远距离量子通信，“墨子号”量子科学实验卫星便为远距离量子通信提供了实现的机会。
“本次实验首先通过‘墨子号’卫星上的纠缠源向相距1200公里的两个地面站云南丽江站和青海德令哈站分发纠缠，丽江站作为量子态的制备和发送方，德令哈站作为接收方，利用两地共享的纠缠，再结合基于双光子路径-偏振混合纠缠态的量子隐形传态方案，最终完成了超千公里的远程量子态的传输验证。”中国科学技术大学上海研究院教授印娟说。
由于大气湍流的影响，光子在大气信道中传播后，实现基于量子干涉的量子态测量是非常困难的。“为了克服远距离湍流大气传输后的量子光干涉难题，团队利用光学一体化粘接技术实现了具有超高稳定性的光干涉仪，传输可以长期稳定。”印娟告诉记者，本次实验还对6种典型的量子态进行了验证，发现平均传送保真度均超越了经典极限，创下目前地表量子态传输的新纪录。
2016年8月16日，世界首颗量子科学实验卫星“墨子号”成功发射，这是我国量子科学实验卫星工程的重要一步。该工程还建设了包括南山、德令哈、兴隆、丽江4个量子通信地面站和阿里量子隐形传态实验站在内的地面科学应用系统，与量子卫星共同构成天地一体化量子科学实验系统。借助该工程，潘建伟研究团队陆续取得了大量研究突破。
2017年8月12日，团队在国际上首次成功实现千公里级的星地双向量子通信，为构建覆盖全球的量子保密通信网络奠定了坚实的科学和技术基础。同年9月29日，世界首条量子保密通信干线“京沪干线”与“墨子号”科学实验卫星进行天地链路，成功实现了洲际量子保密通信，标志着我国在全球已构建出首个天地一体化广域量子通信网络雏形。2018年1月，团队在中国和奥地利之间首次实现距离达7600公里的洲际量子密钥分发，并利用共享密钥实现加密数据传输和视频通信，标志着“墨子号”已具备实现洲际量子保密通信的能力。2020年6月15日，“墨子号”量子科学实验卫星在国际上首次实现千公里级基于纠缠的量子密钥分发，不仅将以往地面无中继量子密钥分发的空间距离提高了一个数量级，并且通过物理原理确保了即使在卫星被他方控制的极端情况下，依然能够实现安全的量子密钥分发。
“得益于‘墨子号’卫星平台，我们可以克服指数级增长的大气衰减，相继突破了链路效率的限制和光子自由空间远程传输干涉等技术，实现了无中继纠缠量子密钥分发和量子态远程态传输。随着地面站也在升级改造中不断精益求精，我们得以充分发挥这颗卫星的潜力，开展扩展实验并取得很好的结果。”印娟认为，目前的研究成果使自由空间量子通信向实现更复杂的量子信息任务迈进，也为我国在未来构建出全球化天地一体的量子信息处理和量子通信网络奠定了重要基础，有助于我国在量子通信技术实用化整体水平上保持和扩大国际领先地位，实现国家信息安全和信息技术水平跨越式提升。