新加坡科学家用立方星演示量子纠缠，向全球量子通信网络迈进

据美国光学学会（OSA）官网和新加坡国立大学量子技术中心（CQT）官网近日报道，新加坡国立大学量子技术中心领导的科研团队成功在立方星上演示了量子纠缠。这项研究朝着创造全球量子通信网络的目标迈出了关键一步。

背景

量子纠缠，是当代量子力学中的一个关键概念，由爱因斯坦、波多尔斯基、罗森塔尔在1935年提出，距今已有近百年历史。爱因斯坦曾称这种神奇的物理现象为“鬼魅般的超距作用”。

片上频率梳可同时产生多光子纠缠的量子状态。（图片来源：魁北克大学国立科学研究院）

什么是量子纠缠？简单说，它是指在由两个或两个以上的粒子（例如光子）组成的系统中，粒子之间相互影响的现象。无论两个粒子之间相距有多遥远，一个粒子的行为将会影响另一个的状态。当其中一个粒子的状态由于被测量而发生变化时，另一个粒子的状态也会随即发生相应的变化。

基于量子纠缠，研究人员有望开发出适合远距离即时通信的安全量子通信网络。无论处于纠缠状态的光子之间相隔多远，只要测量了其中一个光子的状态，另一个光子的状态也会相应确定，这一特性可以用来在遥远两地的用户间直接产生密钥。利用卫星作为量子纠缠源，通过自由空间信道在遥远两地直接分发纠缠，为现有技术条件下实现基于纠缠的量子保密通信提供了可行的道路。

（图片来源：SQO团队，渥太华大学）

前不久，中国科学技术大学潘建伟院士团队联合牛津大学等国内外团队，利用全球首颗量子科学实验卫星“墨子号”，在国际上首次实现千公里级基于纠缠的量子密钥分发。相关研究成果于6月15日在线发表在《自然》杂志上。

基于纠缠的无中继千公里量子保密通信实验示意图。（图片来源：中国科学技术大学）

据论文介绍，“墨子号”卫星同时与新疆乌鲁木齐南山站和青海德令哈站两个地面站建立光链路，以每秒2对的速度在地面超过1120公里的两个站之间建立量子纠缠，进而在有限码长下以每秒0.12比特的最终码速率产生密钥。“墨子号”高度为1.7米，重约640千克，其中包括一个重达23.8千克的量子光源。

“墨子号”出色地证明了通过卫星开展量子通信的可行性，甚至可在数千公里内传输纠缠的光子，打破了量子隐形传态的距离记录。不过，想要建立一个真正的全球量子通信网络，还是需要将量子通信卫星造得更小巧、更节能、更低成本，并能够承受太空环境中的极端情况。

创新

就在中国科学家宣布用“墨子号”卫星实现基于量子纠缠的量子密钥分发后10天，新加坡国立大学量子技术中心领导的科研团队成功在立方星（CubeSat）上实现了量子纠缠。这项研究的相关论文发表在美国光学学会著名学术期刊《Optica》上。尽管只是做到了量子纠缠这第一步，还没有产生量子密码，但是这种小体积、低成本的设备仍然备受关注。

SpooQy-1立方星（图片来源：NASA）

论文领导作者、新加坡国立大学量子技术中心的艾托·维拉尔（Aitor Villar）表示：“未来，我们的系统可能成为全球量子网络的一部分，将量子信号传送到地球或者其他太空飞行器上的接收器。这些信号可用于实现任何类型的量子通信应用，从量子密钥分发到量子隐形传态。量子密钥分发可用于极其安全的数据传输，而量子隐形传态是通过远距离复制量子系统的状态来传送信息。”

技术

什么是立方星（CubeSat）？立方星是一种采用国际通用标准的低成本微纳卫星，其重量为1千克，体积为10厘米×10厘米×10厘米（也叫1U）。若干颗立方星（若干个U）可以组成立方体纳卫星。

形象点说，“1U”的立方星可以看成是一个小盒子，盒子里可以装上卫星所需要的模块（例如：星载计算机、电源模块、通信模块、天线系统模块、姿态控制板模块以及用于科学研究的各种实验仪器），外部会装上天线（用于通信）、太阳能电池板（用于供电）等。

挪威的Ncube-2立方星（图片来源：维基百科）

立方星采用通用化、模块化、标准化设计理念，具有研制成本低、功能密度大、技术成熟度高、研制周期短等优势，可广泛用于通信广播、对地观测、科技试验等各个领域。

SpooQy-1 是一颗重达2.6千克、鞋盒大小的3U立方星。它于2019年4月首次从美国发射至国际空间站，随后于2019年6月17日在空间站太空人的帮助下进入轨道。

从国际空间站部署到轨道的 SpooQy-1 立方星（图片来源：NASA）

对于许多量子通信应用来说，“纠缠”这一量子力学现象都是至关重要的。但是由于长距离会发生光损耗，所以通过光纤创建用于分发纠缠的全球网络是不可行的。在太空中为小型标准化卫星配备量子仪器，是应对这一挑战的一种经济有效的方法。

首先，研究人员需要证明用于量子纠缠的微型光子源可以在发射应力下保持完好无损，并在卫星内提供最小能量的恶劣环境中成功运行。为了实现这一目标，他们详尽地检查了用于产生量子纠缠的光子对源的每个组件，看看这些组件是否可以做得更小、更坚固。

维拉尔表示：“在每个开发阶段，我们都积极地关注质量、尺寸和功率的预算。我们通过快速的原型制作和测试来进行迭代设计，为纠缠光子对源所需的所有现成组件提供了一个强大的小型封装。”

新的小型化光子对源包含一个蓝色激光二极管，该二极管将光线照在非线性晶体上以产生成对的纠缠光子。要实现高质量的纠缠，就需要重新设计支架，以高精度和高稳定性将非线性晶体排列整齐。

研究人员开发了一个仅20厘米×10厘米尺寸的量子纠缠源。（图片来源：新加坡国立大学量子技术中心）

研究人员通过测试他们的新仪器在火箭发射和太空操作过程中承受振动和热变化的能力，证明它可以胜任太空任务。整个测试过程中，光子对源始终保持非常高质量的纠缠，即使温度在从-10°C到40°C的范围内反复波动，晶体排列也能保持原状。

然后，研究人员将新仪器整合到 SpooQy-1 中，该仪器在16°C至21.5°C的温度范围内成功生成了纠缠的光子对。

SpooQy-1 内含一个微型量子信号源，可以创造出量子纠缠的光子对。（图片来源：NASA & CQT）

价值

维拉尔表示：“太空基全球量子网络正在迅速发展。我们希望我们的工作能启发下一波太空基量子技术，并希望新应用和新技术能够从我们的实验结果中受益。”

此外，他还表示：“该研究表明，小型化纠缠技术能够工作得很好，同时保持很低的功耗。这是朝以低成本方式部署可服务于全球量子网络的卫星组网迈出的重要一步。”

未来

SpooQy-1 受到来自新加坡和瑞士的地面站控制，但它并没有试图把量子信号发送至地球。这是下一阶段目标。为了达到这个目标，新加坡国立大学量子技术中心的研究人员与英国 RAL Space 展开合作，设计并构造类似 SpooQy-1 的量子纳卫星，这种卫星能将纠缠光子从太空射向地面接收器。其中一部分工作在从新加坡国立大学量子技术中心拆分出来的初创公司 SpeQtral 开展，对基于卫星的量子通信系统进行商业化。

论文合著者之一、SpeQtral 公司的首席技术官罗伯特·贝丁顿（Robert Bedington）表示：“在下一个任务中，我们将朝着立方星对地面（CubeSat-to-ground）的量子通信努力，从而在全球范围内分享安全密钥。对于那些需要保护他们的网络免受最老练的黑客攻击的公司来说，这个功能颇具吸引力。”下一颗量子纳卫星预计将在2022年发射。