NASA 本周宣布，将于今年晚些时候在太空进行一项关于量子纠缠的小型实验。这项名为“空间纠缠和退火量子实验”（Space Entanglement and Annealing QUantum Experiment，简称SEAQUE）的任务，旨在测试两个纠缠光子是否能在太空中保持相互连接。量子物理学这一奇特的性质有一天可能会以更高的分辨率来传输信息，从而将望远镜和计算机等设备连接起来。
该项目是美国、加拿大和新加坡研究机构以及一些企业合作伙伴的合作成果。该系统所需的一切都将装在一个牛奶盒大小的容器内，放置在国际空间站的表面。
这是一个复杂的主题，所以让我们从基础开始：光子是光的基本单位，它可以表现得像粒子，也可以表现得像波。同时，纠缠光子的行为就像它们之间存在连接，无论它们之间的物理距离有多远（这种现象也称为“鬼魅般的超距作用”）。这意味着，即使独立测量每个光子的属性，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，这类研究的意义何在？创建和维护这种纠缠可以使地面上远距离分离的量子系统，如量子计算机或量子望远镜，能够相互通信高分辨率数据。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。
“我们的项目是连接量子计算机的垫脚石，”SEAQUE项目的首席研究员、来自伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的Paul Kwiat说。连接两台量子计算机也可以提高它们的计算能力。例如，与其让两台100量子比特的计算机独立运行，不如将它们纠缠在一起，它们将表现得像一台200量子比特的计算机。
关于量子比特：与经典计算机以二进制位编码信息不同，量子计算机可以将信息编码在量子比特中，量子比特可以是0、1，或者——令人费解地——同时是0和1。理论上，这种特性将使量子计算机在解决某些问题，如加密、模拟量子系统，或在未排序数据库中进行搜索方面，比经典计算机做得更好。
但量子计算机非常脆弱。如果它们相距一百英里，但通过光纤连接，量子信号很难从一个传输到另一个，因为在传输过程中会有损耗。“当你距离足够远时，基本上，你的量子信号就无法到达了，”Kwiat说。而且由于量子状态无法复制，工程师无法使用放大器来增强信号。“尝试从太空建立连接的好处是，光的强度基本会衰减，因此通过自由空间的损耗比通过光纤传输信号的损耗要小得多。”
SEAQUE项目在国际空间站上有三个目标：产生纠缠、分发纠缠和探测纠缠。
以前，纠缠光子是用一个夹子大小的晶体产生的。然后光子需要被收集并重新对准。SEAQUE将通过一种称为自发参量下转换的过程产生纠缠，在这个过程中，一个光子通过一个非线性晶体，产生两个能量较低的子光子。“我们做的不同之处在于，我们的光源使用了一个小的集成光学器件，一个波导芯片，所以它小了很多，”Kwiat说。“我们输入光，然后我们的光子就从里面出来，我们只需保持温度稳定。每输入一个母光子，你就更有可能产生一对这种神奇的纠缠子光子，比在这些块状晶体中产生的几率要高。”
“我们以某种方式产生它们，使它们在某些属性上相关。在我们的例子中，光子在它们的偏振上是纠缠的，”Kwiat补充道。“偏振就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，每只镜片看到的光的方向都不同。“无论你怎么看（这些子光子），它们之间总是有相关性的，”他说。“没有量子系统就不可能产生这种相关性。”
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在SEAQUE的有限实验中，两个光子将在同一小型空间模块中产生和探测。对于未来的量子通信，他们需要增加望远镜和某种指向与跟踪系统，以便一个或两个光子能够被传输，Kwiat指出。
以现有技术，量子存储器无法在普通闪存驱动器等设备上长期存储，因此量子信息必须通过链路发送。中国的一系列实验通过地面望远镜和太空中的一颗卫星实现了这一点。
“它们必须相互指向和锁定，并发送量子信号。望远镜越大，你能收集到的光越多，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。“我们目前正在做的项目并不是试图做到这一点。”
在产生这两个光子后，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，它们非常灵敏，”Kwiat说。当信号从地球传输到太空时，会有一些光子损失，但总的来说，这比通过光纤传输的损耗要小得多。“虽然从地球探测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 光子数量，”NASA在其新闻稿中表示。
由于光子非常珍贵且数量有限，研究人员需要确保他们能够看到获得的光子，这意味着他们必须滤除探测器接收到的任何噪声。
“人们使用的典型探测器会受到辐射损伤的影响。在外太空，辐射很多，而辐射的作用是会在探测器材料（半导体或硅）的晶格中产生缺陷，”Kwiat说。这会导致噪声，或称为“暗计数”，使得探测器即使没有光子通过也认为它探测到了光子。这些缺陷会随着时间的推移而积累，导致噪声增加，最终可能淹没量子信号。如果噪声过大，量子密码学等量子系统将变得不安全，量子计算机之间的连接也将被切断。
在地球上，他们似乎找到了解决这个问题的方法。辐射造成的缺陷在晶格中并不非常牢固，如果你通过加热摇动晶格，这些缺陷可以自我修复，Kwiat指出。但为了使太空中的加热更具成本效益，他们将使用高强度激光来点式修复这些缺陷，而不是将整个探测器放在类似烤箱的结构中。SEAQUE将测试这种激光退火方法在持续辐射损伤的太空中效果如何。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用性。
目前尚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。关于纠缠光子如何连接到量子设备，有许多不同的想法，这主要是因为关于量子计算机应该是什么样子，也有很多想法。
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离子阱，在它们从一个状态跃迁到另一个状态时会发射光子。
“你可以将一个纠缠的光子注入到原子中，或者你可以将这两个光子干涉，从而将纠缠转移，这样你就可以纠缠这些远程系统，”Kwiat建议。另一方面，谷歌和IBM使用超导量子处理器，其量子比特（量子比特看起来像一个人造原子）与微波光子进行通信。“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。”
微波光子由于能量非常低，在自由空间中几乎无法探测。“它们会被所有噪声淹没，”他补充道。“所以你必须进行某种转换，将微波转换为可见光波长或电信波长。”
这是一个艰难的物理和工程挑战，目前世界各地的许多团队都在努力解决。但也许在接下来的十年左右，研究人员就能够获取这些光子，并将它们转换为能够与量子比特（无论是离子阱、中性原子还是超导量子比特）通信的正确频率。
“我们还有一段时间才能拥有有用的、连接起来的量子计算机，因为我们还没有真正有用的、纠错的量子计算机，我们的转换器还没有工作，”Kwiat说。“每个人都在努力解决他们那一块拼图。”
