[论文解读] Satellite-Based Entanglement Distribution Over 1200 kilometers

Juan Yin, Yuan Cao+32 more|arXiv (Cornell University)|Jul 5, 2017

Quantum Information and Cryptography被引用 12

一句话总结

该论文通过一颗低地球轨道卫星的两个下行链路，在地球表面实现了1203公里的卫星基量子纠缠态分发，成功在严格局域性条件下实现贝尔不等式的量子非定域性实验验证。该实验的链路效率比地面光纤传输高出超过12个数量级，标志着远距离量子通信的重大突破。

ABSTRACT

Long-distance entanglement distribution is essential both for foundational tests of quantum physics and scalable quantum networks. Owing to channel loss, however, the previously achieved distance was limited to ~100 km. Here, we demonstrate satellite-based distribution of entangled photon pairs to two locations separated by 1203 km on the Earth, through satellite-to-ground two-downlink with a sum of length varies from 1600 km to 2400 km. We observe a survival of two-photon entanglement and a violation of Bell inequality by 2.37+/-0.09 under strict Einstein locality conditions. The obtained effective link efficiency at 1200 km in this work is over 12 orders of magnitude higher than the direct bidirectional transmission of the two photons through the best commercial telecommunication fibers with a loss of 0.16 dB/km.

研究动机与目标

• 为克服长距离传输中因光子损耗导致的地面光纤基纠缠分发的局限性。
• 测试利用卫星作为量子中继器，在洲际距离上分发纠缠光子的可行性。
• 在严格爱因斯坦局域性条件下，验证量子纠缠和非定域性的保持情况。
• 与现有光纤通信基础设施相比，显著提升有效链路效率。
• 推动量子力学基础性实验，并促进全球规模量子网络的发展。

提出的方法

• 利用低地球轨道卫星向相距1203公里的两个地面站分发纠缠光子对。
• 通过总路径长度在1600公里至2400公里之间的两个卫星至地面的下行链路，实现远距离分发。
• 通过确保测量事件在时空上分离，严格满足爱因斯坦局域性条件。
• 在卫星上利用非线性晶体中的自发参量下转换过程产生偏振纠缠光子对。
• 在每个地面站独立随机选择测量设置，以关闭局域性漏洞，进行贝尔不等式检验。
• 采用高精度时间同步技术，确保测量事件在时空上分离，满足局域性条件。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否利用卫星作为量子中继器，在1200公里距离上实现纠缠分发？
• RQ2 当通过大气层经由两个下行链路传输时，纠缠态是否能在如此长距离上保持？
• RQ3 在卫星系统中，能否在严格爱因斯坦局域性条件下实现贝尔不等式的量子非定域性实验验证？
• RQ4 卫星系统的有效链路效率与现有地面光纤网络相比如何？
• RQ5 是否可行通过空间平台实现光子损耗极低的远距离量子通信？

主要发现

• 实验成功实现了1203公里地基距离的卫星基纠缠光子对分发，创下新纪录。
• 观测到贝尔不等式违反，其值为2.37 ± 0.09，证实了在严格局域性条件下存在非定域量子关联。
• 在1203公里距离下，有效链路效率比损耗为0.16 dB/km的最优商用通信光纤高出超过12个数量级。
• 尽管经过长距离大气路径且背景噪声较高，两光子纠缠态仍被成功验证。
• 测量事件实现了时空分离，成功关闭贝尔实验中的局域性漏洞。
• 结果验证了利用近地轨道卫星实现全球规模量子通信和基础量子实验的可行性。