“墨子号”量子卫星最新实验结果汇总

最近几天，“墨子号”量子卫星的实验结果纷纷出炉，其中有一篇已经正式发表于Science(封面文章)，另外两篇估计还在审稿，已经贴在了arXiv上。都说title是一篇文章的眼睛，窥一斑而见全豹，先贴出几篇文章标题截图，

从文章标题里可以看出几个关键词：satellite, 1200km，以及每篇文章对应的实验：纠缠分发（entanglement distribution）, 量子隐形传态（quantum teleportation）和量子密钥分发（quantum key distribution）。地面到卫星（groud to satellite）,卫星到地面（satellite to ground）则说明了信号传送的方向。

为什么要在卫星上做这些实验？前面一篇文章已经提及过。卫星与地面间只有10km的大气层存在一部分损耗，其他大部分距离都是真空，损耗非常小，这样可以克服光纤损耗带来的传输距离限制，实现更大范围的量子通信，构建全球化的量子网络。另外，在1200km实现纠缠分发，验证贝尔不等式，也是具有重要的物理基础意义。

先分别介绍下几个实验的具体结果。

1. 纠缠分发

实验中首先在“墨子号”上产生偏振纠缠光子对（5.9M pairs/s, 保真度为0.907 ± 0.007），然后将信号光子和闲置光子分别发送到地面上的两处接收站。实验中共有三个接收站：青海德令哈站、乌鲁木齐南山站和云南丽江站。德令哈和南山（1120km）、德令哈和丽江(1203km)之间都进行了纠缠分发实验。平均双光子计数率为1.1Hz, 受轨道的限制，实验时间只有约275s。进而，他们进行了贝尔不等式的验证，测得的S值为 2.37 ± 0.09，大于经典极限值2，也就是论证了接收到的光子间存在纠缠性质。对贝尔不等式的验证，人们做了许多实验，以后有机会可以单写一篇介绍。

简单的示意图如下：

2. 量子隐形传态

实验中首先在西藏阿里产生两对偏振纠缠光子，第一对纠缠光子用来产生可预知的单光子A，也是待传送的量子态。单光子A和另外一对纠缠光子对中的光子B, 进行贝尔态测量（Bell state measurement, 简称BSM）, 这样光子A的信息就会转移到光子C中，进一步再将光子C发送到卫星上就行测量。实验中地面处四光子计数率为4080/s, 最终的量子态平均保真度为0.80 ± 0.01，大于经典极限值2/3。

简单示意图如下：

3. 量子密钥分发

具体的实验结果见上一篇笔记“墨子号”实现1200km量子通信，这里再提一下：采用3强度的诱骗态方案，实现了卫星地面相距1200km的量子密钥分发，安全码率为1.1kbit/s，约是相同长度光纤码率的20倍。

我们再看一下去年8月份墨子号发射时的新华社报道，

经过不到一年的时间，这几个目标也基本完成了，此处有掌声。至于这几个实验的难度大小排序，从新闻稿中的顺序可以看出。

我的看法：

1. 量子隐形传态实验目前是先在地面同一地点进行BSM, 然后光子C发送到卫星，BSM先于纠缠分发。而我们更希望的是两个相距较远的A地和B地，B地的纠缠光子先发送到A，进行贝尔态测量，这样光子B地的光子C就会传送到更远的地点。 不过基于潘老师组Science纠缠分发的结果，估计后续他们应该也会往这方面努力。
2. 这三个实验，有两个实验是与纠缠相关。它们的目的都是为了实现更大范围的量子通信。量子密钥分发实验中，采用的是弱相干态，实现起来更为简单方便，后续构建量子网络，采用的是可信中继方案；而基于纠缠的量子通信方案，则避免了卫星可能不够安全的问题，但困难更大。最终全球量子通信网络可能是这些方案的集合体。估计经过三五年的努力，更多颗量子卫星的发射，会建成类似东京量子网络的中国量子网络，我们拭目以待！
3. 这几个实验都是深夜进行的，有效工作时间也只有几分钟。如果后续要进行实用化推广，这是远远不够的。另外如何克服传输损耗，进一步提高光子码率，也需要进一步努力。
4. 量子通信现在是国家在买单，投入了大量的人力与经费，最终究竟能实用化到什么程度？也许只有等到量子计算机问世，传统密码机制不再安全，彼时量子通信才会成为唯一的选择。

文章中如果有任何错误和不严谨之处，还望不吝指出！

参考文献：

1. J. Yin, et.al., Satellite-based entanglement distribution over 1200 kilometers, Science 356,1140(2017)
2. J. Ren, et.al., Ground-to-satellite quantum teleportation, arXiv 1707.00934(2017).
3. S. K. Liao, et.al., Satellite-to-ground quantum key distribution, arXiv 1707.00542(2017).