量子纠缠：重塑未来太空通信的秘密武器

量子纠缠：重塑未来太空通信的秘密武器

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求是理论网

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来源

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http://www.qstheory.cn/2024-10/09/c_1130208123.htm

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2016年8月16日，随着“墨子号”量子科学实验卫星在酒泉卫星发射中心成功升空，中国在量子通信领域迈出了具有里程碑意义的一步。这颗由我国自主研制的世界首颗量子科学实验卫星，不仅在国际上首次完成了千公里级星地双向量子纠缠分发实验，还实现了空间尺度下严格满足“爱因斯坦定域性条件”的量子力学非定域性检验，以及从卫星到地面的千公里级量子密钥分发和地面到卫星的千公里量子隐形传态。

“墨子号”的成功发射，标志着我国在量子通信领域已经从“追赶者”变成了“领跑者”。此后，基于“墨子号”的平台，我国科学家又实现了北京—维也纳的洲际量子密钥分发，共同探索实现全球化量子通信的可行性。这一系列突破性成果，不仅让中国在空间量子科学研究领域处于引领地位，也引发了全球对量子通信技术的广泛关注和研究热潮。

量子纠缠是一种神奇的物理现象，它描述了两个或多个粒子在相互作用后形成的一种特殊关联状态。在这种状态下，无论这些粒子相隔多远，它们的性质仍然紧密相连，对其中一个粒子的测量会瞬间影响到另一个粒子的状态。这种超越经典物理学的关联性，为量子通信提供了前所未有的安全性和效率。

在太空通信领域，量子纠缠主要应用于三个方面：量子密钥分发、量子隐形传态和量子雷达。

量子密钥分发：绝对安全的通信保障

量子密钥分发（Quantum Key Distribution, QKD）是利用量子纠缠实现信息加密的一种方式。通过量子态携载信息，通信双方可以共享一组严格保密的密钥，任何未经授权的窃听都会导致量子态的塌缩，立刻被察觉。这种不可逆的量子测量特性，确保了通信的绝对安全性，使其免受传统密码学攻击的威胁。

“墨子号”卫星在国际上首次实现了从卫星到地面的千公里级量子密钥分发，这一突破性成果为构建全球量子通信网络奠定了重要基础。目前，上海区域内已经建成国内首张运营商级的商用量子密钥分发网络，可支持不少于100万的用户容量。预计到2024年底，中国电信将在全国10~15个城市部署量子城域网，未来将与骨干网打通，并最终形成天地一体的量子通信网络。

量子隐形传态：信息的瞬时传输

量子隐形传态是利用量子纠缠的性质直接传输微观粒子的量子状态，而无需传输粒子本身。这种技术有望链接量子信息处理单元，构建量子网络，并作为实现远距离量子密钥分发所需的量子中继的关键技术。

“墨子号”卫星在国际上首次成功实现了地面到卫星的千公里量子隐形传态，这一突破为未来构建基于量子隐形传态和量子存储中继技术的量子信息网络提供了重要参考。通过量子隐形传态，我们有望实现信息的瞬时传输，彻底改变现有的通信方式。

量子雷达：突破隐身技术的新型侦测手段

量子雷达作为一种前沿技术，具有超越传统雷达的潜力。它利用量子纠缠和量子叠加的特性，可以实现对目标的高精度探测。传统雷达系统使用经典物理原理来发送和接收电磁波，通过分析返回的信号来检测目标的位置和速度，而量子雷达则利用量子叠加态和纠缠态等量子效应，以实现更高的精度和隐蔽性。

量子雷达可以通过将目标与特定的量子态进行纠缠，然后发送这些纠缠态的光子来实现探测。由于纠缠态的特殊关联性质，量子雷达系统在理论上提供比传统雷达更高的分辨率和灵敏度，在探测目标时具有更强的抗干扰性，使得目标更容易被探测到。这意味着在未来战场上，敌方的隐身飞机可能无处可藏。

为了实现全球范围内的量子通信，中国正在积极推进“量子星座”计划。该计划通过发射多颗低轨和中高轨量子卫星，与地面上的光纤量子网络连接，构建全球化广域量子通信网络。

目前，我国已于2022年7月成功发射第一颗低轨量子微纳卫星，计划在2025年再发射两到三颗低轨道卫星。中高轨量子科学实验卫星正在研制中，有望在2026年底具备发射条件。未来，由中高轨量子卫星和实用化的低轨微纳卫星组成的“量子星座”，将与地面上的光纤量子网络连接，构建全球化广域量子通信网络。

尽管量子纠缠在太空通信领域展现出巨大的潜力，但要实现其广泛应用仍面临诸多挑战。其中最核心的问题是量子纠缠的稳定性和传输距离。目前，量子纠缠态的保持时间较短，且在长距离传输过程中容易受到环境干扰而退相干。因此，如何提高量子纠缠的稳定性，延长其保持时间，是当前研究的重点之一。

另一个关键挑战是量子中继技术的突破。由于量子信号在光纤中的传输损耗较大，单纯依靠光纤难以实现长距离量子通信。量子中继技术通过在传输路径中设置多个量子中继站，可以有效延长量子通信的距离。目前，中国团队正在研究可支持上千公里量子通信的量子中继技术，有望在未来5~6年内实现远距离的城际光纤量子传输。

此外，实用化量子存储器的开发也是实现量子通信网络的关键。量子存储器可以暂时存储量子态，为量子中继和量子网络的构建提供重要支持。然而，目前量子存储器的存储时间和效率仍需进一步提升，才能满足实际应用的需求。

展望未来，量子通信技术的发展目标是建立一个覆盖全球的广域量子通信网络体系。具体的发展路线包括：利用光纤构建城域量子通信网络、通过中继器链接邻近两个城市的城域网络、以及利用卫星平台中转，链接遥远区域之间的量子通信网络。通过这些技术路线，量子通信有望实现全球范围内的安全信息传输，从而开启信息通信技术的新篇章。

量子纠缠作为重塑未来太空通信的关键技术，正在从理论研究走向实际应用。从“墨子号”卫星的成功发射，到“量子星座”计划的稳步推进，中国在量子通信领域持续领跑。尽管面临诸多技术挑战，但随着科研人员的不断努力，我们有理由相信，量子纠缠将在未来通信领域发挥越来越重要的作用，为人类带来更加安全、高效的通信方式。