“墨子号”实验首次实现1200公里地面站间量子态远程传输

近日，墨子号中国科学技术大学潘建伟院士团队利用“墨子号”量子科学实验卫星，实验首次实现在远距离量子态传输方面取得重要实验进展，公里实现了1200公里地表量子态传输的地面新纪录。

前述团队潘建伟院士及同事彭承志、站间陈宇翱、量态印娟等在实验中首次实现了地球上相距1200公里的远程两个地面站之间量子态远程传输，向构建全球化量子信息处理和量子通信网络迈出了重要一步。传输相关成果在线发表于《物理评论快报》（Physical Review Letters）。墨子号

图片来自《物理评论快报》（Physical Review Letters）

早在2012年，实验首次实现中科大潘建伟团队在国际上首次实现百公里量级的公里自由空间量子隐形传态和纠缠分发，通过地基实验，地面证明了实现基于卫星的站间全球量子通信网络的可行性。

远距离量子态传输（QST）通常可以利用量子隐形传态来实现，量态是远程构建量子通信网络的重要实现途径之一，也是实现多种量子信息处理任务的必要元素。通过远距离量子纠缠分发的辅助，量子态可通过测量然后再重构的方式完成远距离传输，传输距离在理论上可以达到无穷远。

星地量子密钥分发实验，2017年5月拍摄于乌鲁木齐南山，多张照片合成了卫星过境的全貌，背景是恒星的星轨，图片来自中科院

但在实现中，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，如何不断突破传输距离的限制，一直是该领域的重要研究目标之一。

利用星载纠缠源，向遥远的两地先进行纠缠分发，再进行量子态的制备与重构，是实现远距离量子态传输的最可能路径之一。然而，由于大气湍流影响，光子在大气信道中传播后，要实现基于量子干涉的量子态测量是非常困难的。

在以往实验中，量子态传输的制备方都是量子纠缠源的拥有者，无法真正意义上由第三方提供纠缠来实现先分发后传态的量子态传输。2016年，随着“墨子号”量子科学实验卫星成功发射，研究团队首先实现了千公里的双站纠缠分发，“墨子号”平台为量子通信实验提供了宝贵的纠缠分发资源。

墨子号量子通信卫星模型，图片来自人民视觉

此次，为了克服远距离湍流大气传输后的量子光干涉难题，实验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，无需主动闭环即可长期稳定。利用该技术突破，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，在云南丽江站和德令哈地面站之间完成了远程量子态的传输验证。实验中对六种典型的量子态进行了验证，传送保真度均超越了经典极限。

前述研究实现的千公里距离成为目前地表量子态传输的新纪录，为未来构建全球化的量子信息处理网络奠定了重要基础。审稿人评价，“这个实验比以前实验更具挑战性，克服了重大的技术挑战，对未来量子通信的应用具有重要意义。”

千公里量子态传输，图片来自中科大

论文共同第一作者为中科大博士后李波和副研究员曹原。前述研究获得中科院、国家自然科学基金委、科技部、安徽省、上海市等支持。