美国国家航空航天局正在进行一项新的太空量子纠缠实验

　　研究人员将测试他们的技术是否能在国际空间站上产生和检测量子纠缠。
　　美国国家航空航天局（NASA）本周宣布，将在今年晚些时候启动一项太空量子纠缠的小型实验。这项名为空间纠缠退火量子实验（简称SEAQUE）的任务将测试两个纠缠光子是否能在太空中保持联系。量子物理学的这种古怪特性可能会在某一天将望远镜和计算机等设备连接在一起，以更高分辨率的频率传输信息。
　　该项目由美国、加拿大和新加坡的研究机构以及一些企业合作伙伴合作完成。该系统所需的一切都能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，所以让我们从基础开始：光子是光的基本单位，它既可以像粒子也可以像波。与此同时，不管它们之间的物理距离有多远，纠缠光子的行为就像它们是连接在一起的一样（这种现象也被称为远距离幽灵行为）。这意味着，即使每个光子的特性是独立测量的，它们的结果仍然是相关的，因为从纠缠对中测量一个光子会影响另一个光子的特性。
　　那么这种研究的意义是什么呢？创造和维持这种纠缠可以让地面上的距离分离的量子系统，如量子计算机或量子望远镜，彼此交流高分辨率的数据。量子网络可以用于安全通信、远程编程量子计算机和分布式传感。
　　我们的项目是连接量子计算机的垫脚石，PaulKwiat说，他是来自伊利诺伊大学香槟分校SEAQUE项目的首席研究员。将两台量子计算机连接起来也可以提高它们的计算能力。例如，如果两个100量子位的计算机相互纠缠在一起，它们的行为就会像一个200量子位的计算机一样，而不是两个独立运行的100量子位计算机。
　　关于量子位：与用二进制编码信息的经典计算机不同，量子计算机可以用量子位编码信息，量子位可以是0、1，或者奇怪的是，两者同时存在。理论上，量子计算机的这一特性可以解决某些问题，如加密、模拟量子系统或搜索未排序的数据库，这比传统计算机更好。
　　但是量子计算机是脆弱的。如果它们相距100英里，但用光纤连接，就很难让量子信号从一个传输到另一个，因为在穿过光纤的过程中会有损耗。当你走了足够长的距离，基本上，你的量子信号无法到达，Kwiat说。因为量子态不能被复制，工程师们不能使用放大器来接收信号。试图从太空中关闭连接的好处是，光的强度基本上会下降，然而通过自由空间的损失要比试图通过光纤发送信号少得多。
　　SEAQUE项目在国际空间站上有三个目标：创建纠缠，分配纠缠，以及检测纠缠。
　　以前，缠结光子是用别针盒大小的晶体制造的。然后光子必须被收集并在太空中重新排列。SEAQUE将通过一个叫做自发参量下转换的过程来制造纠缠，在这个过程中，一个光子通过一个非线性晶体并产生两个能量更低的子光子。Kwiat说：我们正在做的一件不同的事情是，我们的光源使用了一个小集成光学波导芯片，所以它要小得多。我们发送光，然后光子出来，我们只是保持温度稳定。你发送的每一个父光子，你更有可能产生一对这种魔法纠缠的子光子，比那些大块的晶体容易的多。
　　我们以某种方式创造它们，所以它们的某些属性是相关的。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，或振动方向。偏振光系统的一个日常例子是电影3D眼镜，每个镜头看到的光从不同的方向。不管你怎么看（这些子光子），它们之间总是存在相关性，他说。没有量子系统，是不可能得到这些相关性的。
　　在SEAQUE有限的实验中，这两个光子将在太空中相同的小包裹中产生和检测。对于未来的量子通信，他们将需要添加望远镜和某种指向和跟踪系统，以便其中一个或两个光子都能被传输，Kwiat指出。
　　在目前的技术下，量子存储器不能长期存储在像普通闪存驱动器这样的东西上，所以量子信息必须通过链接发送。中国通过地面望远镜和太空卫星完成了一系列实验。
　　它们必须相互指向并锁定，然后发送量子信号。望远镜越大，就能收集到越多的光，从地面到卫星或者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没有试图做到这一点。
　　在产生这两个光子之后，SEAQUE的最后一步是探测，即测量光子的属性。探测器需要能够看到单个光子，而且它们非常敏感，Kwiat说。在信号从地球到太空的过程中，会有一些光子的损失，但它仍然比通过光纤的损失要少得多。NASA在其新闻稿中表示：虽然探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。
　　因为光子是珍贵的和有限的，研究人员需要确保他们能看到他们得到的光子，这意味着他们必须消除任何通过探测器的噪音。
　　人们使用的传统探测器会受到辐射损害的影响。在太空中，你会受到大量的辐射，而这种辐射会在探测器材料（半导体或硅）的晶体晶格中产生缺陷。这就产生了噪声，或者暗计数，使得探测器认为它探测到了一个光子，即使没有光子通过。随着时间的推移，这些缺陷会累积，导致噪声不断增加，最终可能淹没量子信号。如果有太多的噪音，像量子密码学这样的量子系统就会变得不安全，量子计算机之间的连接就会被切断。
　　在地球上，他们似乎已经找到了解决这个问题的方法。Kwiat指出，辐射产生的缺陷并不会牢牢地粘在晶格中，如果你通过加热来震动晶格，这些缺陷就会自行修复。但是为了使太空加热更经济有效，而不是把整个探测器放在一个类似烤箱的结构中，他们将使用明亮的激光来发现修复这些缺陷。SEAQUE将测试这种激光退火方法在太空中的有效性，那里有持续的辐射损伤。激光修复将有望延长任务寿命，使整个系统的存活时间更长。
　　目前还不确定这种长距离通信最终将如何连接到一台单独的量子计算机上。关于纠缠光子如何连接到量子设备有很多不同的想法，主要是因为关于量子计算机应该是什么样子有很多想法。
　　然而，一些正在开发中的量子技术确实会与光子相互作用。例如，霍尼韦尔实验系统中使用的被捕获离子，当它们从一种状态转换到另一种状态时，会发出光子。
　　你可以将其中一个纠缠光子放入原子中，或者你可以以一种传输纠缠的方式干涉这两个光子，这样你就可以使这些远程系统纠缠在一起，Kwiat建议。另一方面，谷歌和IBM使用超导量子处理器与量子位（量子位看起来像一个人造原子）对话，微波光子。现在的问题是，你能否将它转换成我们正试图发射到（太空）的光子之一。
　　微波光子，因为它们的能量如此之低，在自由空间中几乎不可能被探测到。他们会被所有的噪音淹没，他补充道。所以你必须进行某种转换，将微波波长转换为可见波长或远程通信波长。
　　这是一个物理和工程上的难题，世界各地的许多组织目前都在努力解决这个问题。但也许在未来十年左右的时间里，研究人员可以将这些光子转换成正确的频率，从而与量子比特对话，无论是被捕获的离子、中性原子还是超导量子比特。
　　Kwiat说：我们还需要一段时间才能实现有用的量子计算机互联，因为我们还没有有用的、可以纠错的量子计算机，我们还没有传导工作。每个人都在拼自己的那一块拼图。