空间尺度量子力学基本问题检验研究

As the basis of quantum information theory, quantum entanglement is the core resource of quantum computation, quantum teleportation, and testing the fundamental issues of quantum mechanics. Quantum science satellite has been operating in orbit for one year and successfully demonstrated satellite-based entanglement distribution over 1200 kilometers. We observe a survival of two-photon entanglement and a violation of Bell inequality under strict Einstein locality conditions. The established space-ground integrated experimental system provides the possibility of performing extension experiments in the lifespan of the satellite. ..This project will use the established entanglement between two ground stations over 1000 km apart from the world’s first spaceborne entangled photon source and improved measurement devices in ground stations to further develop the research of quantum mechanics fundamental issues in space-scale, including: Establish quantum keys between locations over a thousand kilometers apart with the assistant of entanglement, which, as Gilles Brassard and Artur Ekert, the founders of quantum cryptography theory, have indicated, would achieve the holy Grail that all cryptographers have been dreaming of for thousands of years. Performing the test of quantum mechanics non-localization with the freedom-of-choice loophole closed by selecting measurement basis settings with random numbers generated from the detection of far cosmic radiation sources. Further study the scheme and realization of remote state preparation based on two-photon entanglement. This project will be a good extension of wide-area quantum communication experimental research, and will eventually lay the foundation for the global quantum network.

量子纠缠是量子计算、隐形传态、量子力学基本问题检验的核心资源。量子科学实验卫星在轨运行一年，国际上首次实现千公里级星地双向量子纠缠分发和空间尺度量子力学非定域性检验，所建立的天地一体化量子实验系统为拓展实验提供了可能。本项目将借助世界上首个星载纠缠光源，利用在两个相距千公里的地面站之间建立的纠缠，通过地面站测量装置的设计改进，进一步开展空间尺度量子力学基本问题检验研究：包括利用纠缠在相距千公里的两地直接建立量子密钥，将实现如同量子密码理论的奠基人Gilles Brassard和Artur Ekert所指出的“所有密码学者梦想数千年之久的圣杯”；通过探测遥远的星光并产生随机数，用于随机驱动不同测量基矢的选择，开展关闭自由选择漏洞的量子力学非定域性检验；进一步探索一类基于双光子纠缠的远程态制备方案和实现方法等。本项目的研究将很好的扩展广域量子通信实验研究，必将为最终实现全球化量子网络奠定基础。

量子科学实验卫星的成功发射，在国际上首次实现千公里级星地双向量子纠缠分发和空间尺度量子力学非定域性检验，所建立的天地一体化量子实验系统为拓展实验提供了可能。本项目计划借助世界上首个星载纠缠光源，利用在两个相距千公里的地面站之间建立的纠缠，通过地面站测量装置的设计改进，进一步开展空间尺度量子力学基本问题检验研究：包括在相距千公里的两地直接建立量子密钥，实现如同量子密码理论的奠基人Gilles Brassard和Artur Ekert所指出的“所有密码学者梦想数千年之久的圣杯”；通过探测遥远的星光并产生随机数，用于随机驱动不同测量基矢的选择，开展关闭自由选择漏洞的量子力学非定域性检验；进一步探索一类基于双光子纠缠的远程态制备方案和实现方法等。在项目申请和实施期间，我们先后实现了卫星与单个地面站间基于纠缠的量子密钥分发，发表在物理评论快报上（PRL 119 200501）；基于纠缠在相距1120公里的两地实现无可信中继的量子密钥分发，将地面点对点的量子通信安全距离从百公里级提高到了千公里级，比通过光纤分发密钥高约11 个量级，以封面标题形式发表在自然上（Nature 582, 501）；利用路径-极化的混合维度的纠缠解决Bell 测量的效率问题，在基于星地双向纠缠分发的前提下实现了超过1200 km的量子态传送（审稿中）；利用11光年以外的星光产生随机数，将自由选择漏洞关闭时间提高了13个数量级，在同时关闭探测效率漏洞和定域性漏洞的基础上，验证了量子力学的完备性，以编辑推荐的形式发表在物理评论快报上（PRL 121 080404)。研究很好的扩展广域量子通信实验研究，必将为最终实现全球化量子网络奠定基础。项目执行期间1人获得国家优秀青年科学基金资助，1人获上海市巾帼创新新秀奖，1人入选中科院青年创新促进会会员。团队研究成果2018年获美国科学促进协会纽科姆•克利夫兰奖，2019年获中科院杰出科技成就奖。项目中期已培养毕业博士生4名，出站博士后1名转聘为副研究员；在读博士生4名、硕士生2名、在站博士后2名。