科学家证实“不可能”的地面到太空量子连接是可行的

这项发现消除了当今量子卫星系统面临的几大局限。地面设备可利用更多能源，维护更简单，还能产生更强信号。这些优势对未来构建通过卫星中继连接量子计算机的网络可能至关重要。

### 研究详情与近期里程碑
悉尼科技大学（UTS）的西蒙·德维特教授、亚历山大·索恩采夫教授及研究团队发表了题为《通过上行链路卫星信道进行量子纠缠分发》的研究，该成果近期刊登在《物理评论研究》期刊上。
量子卫星通信已取得重要进展。中国2016年发射的“墨子号”卫星首次实现了从太空发送量子加密数据；2025年，“济南一号”微卫星进一步将中国与南非之间的量子连接距离扩展至12900公里。

### 为何上行量子通信曾被忽视
索恩采夫教授解释：“当前的量子卫星在太空中生成纠缠光子对，再将每对光子的一半分别发送到地球的两个地点，这称为‘下行链路’。它主要用于加密技术，只需几个光子（光的粒子）就能生成密钥。”
科学家们曾很大程度上忽视了相反的方法——在地球生成纠缠光子并向上传输。这种想法被认为不切实际，因为光在穿过大气层时会出现预期的损耗、干扰和散射。

### 为“不可能”场景建模
德维特教授提出：“我们的想法是，从两个不同的地面站向距地球500公里、时速约20000公里的轨道卫星发射两个单光子，让它们完美相遇并发生量子干涉。这真的可能吗？”
研究人员表示，细致的建模显示答案是肯定的。“令人惊讶的是，我们的建模表明上行链路是可行的。我们纳入了现实世界的影响，比如来自地球的背景光、月球反射的阳光、大气效应以及光学系统的对准误差等。”德维特教授说。

### 迈向可扩展的量子互联网
该团队称，这一想法很快可通过无人机或气球搭载的接收器进行测试，为利用近地轨道小型卫星构建跨越国家和大陆的大规模量子网络提供了垫脚石。
德维特教授指出：“量子互联网与当前新兴的加密应用截然不同。核心机制相同，但连接量子计算机需要更多的光子——更大的带宽。”
上行链路策略可能提供切实的解决方案。“上行链路方法可以提供这种带宽。卫星只需一个小型光学单元来干涉入射光子并报告结果，而无需量子硬件每秒产生数万亿光子以克服地面损耗，从而实现高带宽量子链路。这降低了成本和尺寸，使该方法更具实用性。”

### 量子纠缠成为日常基础设施
德维特教授将长远愿景比作现代电力。“未来，量子纠缠有点像电力——一种为其他事物提供动力的商品。它的产生和传输方式往往对用户是不可见的，就像我们插上电器就能使用电力一样。大型量子纠缠网络最终也会如此。将会有量子设备既接入纠缠源也接入电源，利用两者来做有用的事情。”
该项目整合了UTS工程与信息技术学院和理学院的专业知识，汇集了量子网络、系统建模和光子学领域的专家。这展示了UTS跨学科合作如何助力解决新兴技术中最具挑战性的问题之一。