量子光与相对论检验设备的真实位置

两个相距约2公里的验证站向位于它们之间的一台设备发送信号。设备必须测量收到的光，并迅速作答。借助这套装置，中国研究人员把设备的位置限定在尺度为74.3米的区域内。这项测试结合了量子物理与相对论：前者对信息的复制施加限制，后者规定任何信号都不能超过真空中的光速。

范元冠杰、单阳光、张聪及其合作者的研究于2026年9月3日发表于学术期刊《自然·物理》。团队来自中国科学技术大学和广东工业大学。他们提出的问题很具体：即使有人试图从别处代为应答，怎样确认一台设备确实位于它所声称的位置？

实验中，设备与每个验证站的距离都约为980米。每一轮中，每个站发送20个比特。比特是只能取零或一的信息单位。其中一个站还发送一个非常微弱的激光脉冲，其偏振，也就是光振动的方向，承载着量子信息。

设备把两条普通信息合并成一个40比特的输入，再按照事先约定的规则，决定如何测量偏振。这一选择称为测量基，即能够正确解读光信号的分析器设置。测量完成后，设备立即把结果发回两个验证站。

验证站同时检查答案及其到达时间。答案反映光是否按预期方式被测量；时间则限制了答案可能来自哪些位置。延迟越长，信号可用于传播的时间越多，允许的位置区域也就越大。

普通信息可以被同伙复制和转发，因此，在没有额外保障的情况下，仅依靠这类信息的验证可能受骗。量子信息改变了这个问题：不存在一种操作，能够完美复制任意未知量子态。如果不知道正确的测量基就测量光，也可能无法给出正确答案。冒充者必须在不超过时限的情况下，产生足以被接受的应答。

一项实用上的进展是采用衰减激光，即强度大幅降低的激光，而不要求理想光源每次都只发射一个光子。光子是光能的基本单位。这些脉冲有的没有光子，有的包含一个或多个。研究人员把这种分布纳入安全分析，并对含多个光子的脉冲采用最不利的假设，因为它们可能使截获信息更容易。

验证也统计错误应答以及没有应答的轮次；后者可能由光在传输中损失等原因造成。不同事件按各自权重计入总分。只有得分超过在该模型条件下为攻击者计算的上限，设备才会通过验证。因此，测试要求一整组结果符合预期运行，而不是只答对一次。

为减少延迟，团队利用不同波长作为独立通道，同时发送多个比特。波长指光波振动在空间中重复一次的距离。团队还使用空芯光纤，即主要引导光在空气中传播的结构，使传播速度接近真空光速。在中央设备中，电路查询预先载入存储器的表格来选择测量方式，避免在应答过程中从头计算整条规则。

研究人员进行了五次试验，每次包含1000万轮。在设备遵循预定操作的情况下，五次试验的得分都超过了所需阈值。系统每秒运行200万轮，因此每次试验仅需几秒便可收集数据。这些重复试验为装置的运行提供了统计证据，但不等于五个独立团队各自复现了结果。

最大的额外延迟为247.8纳秒；一纳秒等于十亿分之一秒。这里说的是相对于信号以真空光速完成理想行程所增加的时间，而不是信号往返所用的总时间。这部分额外时间对应74.3米的位置验证范围，也就是仍与实测时间相容的位置区域尺度，并非该区域内的一个精确坐标。

这项结果表明，可以用结合量子测量与传播时间的物理测试，检验设备是否在场。这为仅在设备处于许可区域时才批准某项操作的系统提供了一种可能。实验确立了这种验证在所研究条件下的可行性；在这套装置之外，其性能和安全性仍有待证明。