科学网—中国科学家提出“高空气球链量子互联网”：全球量子网络或迎来颠覆性突破
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2026-2-23 09:01
| 个人分类: 浮空器 | 系统分类: 科普集锦
想象这样一个场景：你和地球另一端进行重要通信时，不需要担心黑客攻击、服务器泄密，甚至不需要担心未来出现更强大的计算机破解密码 ——因为这条信息从物理上就无法被窃听。这听起来像科幻，但其实正是量子通信正在努力实现的目标。
然而，这项技术要真正走向全球应用，却一直被一个看似简单的问题卡住：
它传不远。
我们今天的互联网之所以能跨越地球，是因为信号可以不断放大。
而量子通信却完全不同。量子信息有一个非常 “任性”的特性：一旦在传输过程中丢失，就再也无法恢复。就像一滴水落入沙漠，无法重新收集。结果就是，即使在最先进的光纤中，量子信号通常也只能稳定传播几百公里。如果要实现全球通信，这显然远远不够。
一个看似科幻的想法
为了解决这个难题， 中国科学技术大学周宗权教授团队在国际期刊 Physical Review A （ Liu P X , Lin Y P , Zhou Z Q ,et al.Global-scale quantum networking using hybrid-channel quantum repeaters with relays based on a chain of balloons[J]. 2025.）发表的一项研究提出了一种非常特别的解决方案：
用高空气球 链 搭建全球量子通信网络。
他们设想，在距离地面约 20多公里的平流层布置一列高空气球，形成一条横跨地球的光通信中继链路 ，实现单个光子跨越全球的 高效率 传输，最终建立跨越全球的量子纠缠 。 量子纠缠 正 是全球量子网络中的基本 资源。当两个粒子形成纠缠，它们就像一对 “量子双胞胎”：无论相隔多远，对其中一个的测量都会瞬间决定另一个的状态。这种奇特的关联， 也 正是 量子通信安全性 和量子计算机加速能力 的根本来源。
气球链量子通信
听起来像科幻小说，但背后的物理逻辑却非常简单。为什么不是卫星，而是气球？很多人会直觉地想到卫星 — 马斯克的 SpaceX公司 正在商业化运营星链 提供 微波通信 服务 。但事实上，高空气球在量子通信中反而更有优势。
原因就在于光信号传播环境。
在地面附近，大气湍流会让光束不断晃动；而在平流层，空气稀薄而稳定，光 的横向 传播损耗极小 与卫星链相当 。同时，气球离地面远比卫星近得多，信号上下传输距离更短 使得垂直方向传输损耗更低 。研究模拟表明，在万公里尺度的通信距离上，气球链路效率甚至可以超过卫星一个数量级。
这些气球并不是通信终端，而更像漂浮在天空中的“光学镜子”，为量子信息提供一条低损耗的通道。 一场跨越地球的“接力赛”
问题在于，直接在远距离建立纠缠几乎不可能。因为光子在传播过程中会大量丢失。科学家想到的解决办法是，把纠缠建立过程变成一场接力赛。先在短距离建立纠缠，然后通过一种叫“纠缠交换”的操作，把一段段短纠缠逐步连接起来， 最终让远端两点 之间 形成 纠缠 。
就像把许多短链条一节节扣接，最后拼成一条跨越地球的长链。 为什么建立纠缠这么困难？
现实中的挑战远比想象中严峻。
纠缠光子的产生本身就是随机事件；光子在传播中会大量损失；探测器效率有限；测量成功率也存在物理上限。这些因素叠加后，使得一次成功建立远程纠缠的概率极低。 一个关键技术让这一切变得可行—— 量子存储。
当 短距离 链条的 纠缠 成功 建立后 ，其量子态可以被暂时保存 ， 以 等待 其他链条的纠缠也成功建立，从而 实现纠缠交换的连接， 逐步实现纠缠距离的扩展 。目前最先进的 量子 存储技术已经能够 保持数秒甚至几十秒，这足以完成全球尺度的纠缠连接操作。 建立纠缠后能做什么？
最现实的应用，是量子密钥分发。
通信双方利用纠缠测量的关联性，可以生成一串随机密钥，用于加密普通数据。与传统加密不同，这种安全性并不依赖计算能力，而是由量子物理定律保证——任何窃听行为都会不可避免地破坏纠缠，从而被立刻发现。
此外，量子纠缠还可以 让遥远的量子计算机之间合作起来，实现分布式量子计算，从而拓展量子计算机的计算能力。
可以说，远距离纠缠就像量子互联网的“电力供应”，一旦建立，就能支撑 各种 未来量子互联网的 应用。 从设想走向现实
这项研究最令人振奋的一点在于，它所依赖的关键技术——纠缠光源、固态量子存储以及光学中继——都已经在实验中得到验证。
这意味着，全球量子通信网络不再只是一个遥远的梦想，而正在一步步走向工程实现。 通过在平流层布置高空气球链，科学家正在为量子通信构建一条横跨地球的“空中高速公路”，为未来的全球量子互联网提供了一条现实可行的路径。
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