美国宇航局正在太空启动一项新的量子纠缠实验

美国宇航局本周宣布，将于今年晚些时候在太空启动一项小型量子纠缠实验。这项名为“太空纠缠和退火量子实验”（简称 SEAQUE）的任务旨在测试两个纠缠光子能否在太空中保持相互联系。量子物理学的这一奇特特性有朝一日可能会将望远镜和计算机等设备以更高分辨率传输信息的频率连接在一起。

该项目是美国、加拿大和新加坡的研究机构以及一些企业合作伙伴的合作项目。该系统所需的一切都可以装进国际空间站表面一个牛奶盒大小的容器里。

这是一个复杂的话题，所以我们先从基础开始：光子是光的基本单位，既可以表现为粒子，也可以表现为波。同时，纠缠的光子会表现得像它们是相连的，无论它们之间的物理距离如何（这种现象也称为“鬼魅般的超距作用”）。这意味着，即使每个光子的属性都是独立测量的，它们的结果仍然是相关的，因为测量纠缠对中的一个光子会影响另一个光子的属性。

那么，这种研究的意义何在？创建和维持这种纠缠可以让地面上距离相隔的量子系统（如量子计算机或量子望远镜）相互传递高分辨率数据。量子网络可用于安全通信、远程编程量子计算机以及分布式传感。

伊利诺伊大学香槟分校 SEAQUE 项目首席研究员 Paul Kwiat 表示：“我们的项目是连接量子计算机的垫脚石。”连接两台量子计算机也可以提高它们的计算能力。例如，如果两台 100 量子比特的计算机相互纠缠在一起，它们将表现得像一台 200 量子比特的计算机，而不是独立运行。

关于量子比特：与以二进制比特编码信息的传统计算机不同，量子计算机可以将信息编码为量子比特，量子比特可以是 0、1，或者 — 奇怪的是 — 同时是 0 和 1。从理论上讲，这一特性将使量子计算机能够比传统计算机更好地解决某些问题，例如加密、模拟量子系统或搜索未分类的数据库。

但量子计算机非常精密。如果它们相距一百英里，但通过光纤连接，量子信号很难从一端传输到另一端，因为在光纤中传输时会有损耗。“当距离足够长时，量子信号基本上就无法传输，”Kwiat 说。而且由于量子态无法复制，工程师无法使用信号放大器。“从太空尝试关闭链接的优势在于光的强度基本上会下降，因此通过自由空间的损耗比通过光纤发送信号要小得多。”

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SEAQUE 项目在国际空间站上有三个目标：产生纠缠、分配纠缠和检测纠缠。

以前，纠缠光子是用一个活页夹大小的晶体产生的。然后必须收集光子并在空间中重新排列。SEAQUE 将通过一种称为自发参量下转换的过程来产生纠缠，在这个过程中，单个光子穿过非线性晶体并产生两个能量较低的子光子。“我们所做的不同之处在于，我们的光源使用了一个小型集成光学元件，即波导芯片，因此它要小得多，”Kwiat 说。“我们发送光，然后光子从中出来，我们只需保持温度稳定。与在这些块体晶体中相比，你发送的每个母光子更有可能产生一对这种神奇的纠缠子光子。”

“我们以某种方式创建它们，使它们的某些属性相互关联。在我们的例子中，光子在偏振中纠缠在一起，”Kwiat 补充道。“偏振是光的摆动方向或振荡方向。”偏振系统的一个日常例子是电影的 3D 眼镜，每个镜片看到的光都朝不同的方向传播。“无论你如何看待 [这些子光子]，它们之间总是存在关联，”他说。“没有量子系统就不可能获得这些关联。”

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在 SEAQUE 的有限实验中，两个光子将在太空中的同一个小封装中产生和检测。Kwiat 指出，对于未来的量子通信，他们需要添加望远镜和某种指向和跟踪系统，以便传输一个或两个光子。

以目前的技术，量子记忆无法长期存储在普通闪存盘之类的东西上，因此量子信息必须通过链路发送。中国通过地面望远镜和太空卫星进行了一系列实验，实现了这一点。

“它们必须指向并锁定彼此，然后发送量子信号。望远镜越大，收集到的光就越多，从地面到卫星或从卫星到地面的传输效率就越高，”Kwiat 解释道。“我们现在正在做的项目并不是试图这样做。”

在产生这两个光子后，SEAQUE 的最后一步是检测，即测量光子的特性。“探测器需要能够看到单个光子，而且它们非常敏感，”Kwiat 说。信号从地球传到太空时会有一些光子的损失，但损失仍然比通过光纤少得多。“虽然检测来自地球的信号超出了这项技术演示的范围，但 SEAQUE 将使用其探测器阵列来计算其纠缠源产生的光子，”NASA 在其新闻稿中表示。

由于光子宝贵且数量有限，研究人员需要确保他们能够看到所得到的光子，这意味着他们必须消除通过探测器传来的任何噪音。

“人们使用的典型探测器会受到辐射损伤的影响。在外太空，你会受到大量辐射，而辐射的作用是使探测器材料（半导体或硅）的晶格产生缺陷，”Kwiat 说。这会导致噪声或暗计数，使探测器认为它检测到了光子，即使没有光子通过。这些缺陷会随着时间的推移而积累，导致噪声不断增加，最终可能淹没量子信号。如果噪声过多，量子密码学等量子系统将变得不安全，量子计算机之间的链接将被切断。

在地球上，他们似乎找到了解决问题的方法。Kwiat 指出，辐射产生的缺陷不会非常牢固地粘在晶格中，如果你通过加热来摇动晶格，这些缺陷可以自行修复。但为了使太空加热更具成本效益，他们不会将整个探测器放在类似烤箱的结构中，而是使用明亮的激光来修复这些缺陷。SEAQUE 将测试这种激光退火方法在太空中的有效性，因为太空中存在持续的辐射损伤。激光修复有望延长任务寿命，从而使整个系统保持更长时间的可行性。

目前还不确定这种长距离通信最终将如何连接到单个量子计算机。关于如何将纠缠光子连接到量子设备，存在许多不同的想法，主要是因为关于量子计算机应该是什么样子，存在许多想法。

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然而，一些正在开发的量子技术确实与光子相互作用。例如，霍尼韦尔实验系统中使用的捕获离子在从一种状态转变为另一种状态时会发射光子。

“你可以取出一个纠缠光子，并尝试将其放入原子中，或者你可以干扰这两个光子，从而转移纠缠，这样你就可以纠缠这些远程系统，”Kwiat 建议道。另一方面，谷歌和 IBM 使用超导量子处理器，其中的量子比特（量子比特看起来像一个人造原子）可以与微波光子对话。“现在的问题是，你能否将其转换为我们试图发送到 [太空] 的光子之一。”

微波光子的能量非常低，几乎不可能在自由空间中探测到。“它们会被所有噪音淹没，”他补充道。“所以你必须进行某种转换，将微波转换为可见波长或电信波长。”

这是一项艰巨的物理和工程挑战，目前全球许多团体都在努力解决。但也许在未来十年左右，研究人员可能能够获取这些光子，将它们转换成可以与量子比特对话的正确频率，无论是捕获离子、中性原子还是超导量子比特。

“我们还需要一段时间才能拥有实用的联网量子计算机，因为我们还没有实用的、可纠错的量子计算机，我们还没有实现传导，”Kwiat 说道。“每个人都在努力解决自己的难题。”