6月16日，我國科學(xué)家利用“墨子號(hào)”量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星在國際上率先成功實(shí)現(xiàn)了千公里級(jí)的星地雙向量子糾纏分發(fā)，并在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了空間尺度下嚴(yán)格滿足“愛因斯坦定域性條件”的量子力學(xué)非定域性檢驗(yàn)，為未來開展大尺度量子網(wǎng)絡(luò)和量子通信實(shí)驗(yàn)研究，以及開展外太空廣義相對論、量子引力等物理學(xué)基本原理的實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)奠定了可靠的技術(shù)基礎(chǔ)。

這項(xiàng)成果是中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授潘建偉及其同事彭承志等組成的研究團(tuán)隊(duì)，聯(lián)合中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所王建宇研究組、微小衛(wèi)星創(chuàng)新研究院、光電技術(shù)研究所、國家天文臺(tái)、紫金山天文臺(tái)、國家空間科學(xué)中心等，在中國科學(xué)院空間科學(xué)戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)的支持下研究發(fā)布的。同日，相關(guān)成果以封面論文的形式發(fā)表在國際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》雜志上。

兩個(gè)糾纏在一起的量子，相隔多遠(yuǎn)都可瞬間互相影響

2016年8月16日，我國成功發(fā)射首顆量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星“墨子號(hào)”，這是中國科學(xué)院空間科學(xué)先導(dǎo)專項(xiàng)首批科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星之一。

量子是物理世界里最小的、不可再分割的能量單位。量子糾纏是量子的兩個(gè)奇妙特性之一。“它是兩個(gè)（或多個(gè)）粒子共同組成的量子狀態(tài)，無論粒子之間相隔多遠(yuǎn)，測量其中一個(gè)粒子必然會(huì)影響其它粒子。兩個(gè)糾纏在一起的量子就好比是一對有心電感應(yīng)的雙胞胎，不管兩人距離多遠(yuǎn)，千公里量級(jí)或者更遠(yuǎn)，只要當(dāng)其中一個(gè)人的狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)，另一個(gè)人的狀態(tài)也會(huì)跟著發(fā)生一樣的變化。”潘建偉說，“這種現(xiàn)象被稱為量子力學(xué)非定域性。量子糾纏所體現(xiàn)的非定域性是量子力學(xué)最神奇的現(xiàn)象之一。”

愛因斯坦稱量子糾纏為“鬼魅般的超距作用”，他認(rèn)為這種效應(yīng)的產(chǎn)生可能是由某種人們目前可能還暫時(shí)無法理解的所謂“隱變量”操縱的。那么，愛因斯坦到底說得對不對呢？

1964年，物理學(xué)家約翰·貝爾提出了一個(gè)實(shí)驗(yàn)方案，能夠進(jìn)行檢驗(yàn)。“這也就是量子糾纏分發(fā)實(shí)驗(yàn)。讓一臺(tái)機(jī)器把制備好的一對對糾纏粒子（通常為光子）不斷分別向兩個(gè)方向發(fā)射，然后隨機(jī)沿著不同的角度，分別對糾纏光子的偏振方向進(jìn)行測量。”中國科技大學(xué)研究員、量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星科學(xué)應(yīng)用系統(tǒng)總師兼衛(wèi)星系統(tǒng)副總師彭承志說，“如果測量結(jié)果滿足貝爾不等式的話，說明愛因斯坦是對的；否則，證明量子力學(xué)非定域性是真實(shí)存在的。”

驗(yàn)證量子糾纏在更遠(yuǎn)距離是否存在，要到太空去實(shí)驗(yàn)

在量子糾纏分發(fā)實(shí)驗(yàn)中，為了保證測量事件的類空間隔，科學(xué)家總是要將兩個(gè)探測裝置相隔一定距離放置。他們每做完一輪實(shí)驗(yàn)都會(huì)想，如果距離再遠(yuǎn)一些，量子糾纏是否仍然存在？

然而，由于量子糾纏非常脆弱，它會(huì)隨著光子在光纖內(nèi)或者在地表大氣中的傳輸距離而衰減。也就是說，如果在地面做這個(gè)實(shí)驗(yàn)，傳輸?shù)木嚯x就不可能太長。

“即使采用目前最先進(jìn)的理想單光子探測器，在1200公里光纖中進(jìn)行點(diǎn)對點(diǎn)量子通信，每3萬年也只能傳輸一個(gè)比特。就好比一支擁有100萬人的隊(duì)伍，到最后可能只剩下幾個(gè)人，花了很長時(shí)間才能抵達(dá)目的地。”潘建偉說，“這導(dǎo)致了在遠(yuǎn)距離上信息傳遞效率很低，所以之前的量子糾纏分發(fā)實(shí)驗(yàn)只停留在百公里的距離。”

怎樣才能使量子糾纏分發(fā)的距離進(jìn)一步擴(kuò)展到更遠(yuǎn)呢？潘建偉說，目前理論上有兩種途徑。一種是利用量子中繼，即分成若干段傳輸來降低每一段的損耗，用“量子接力”的方式解決這一難題。但是，目前這種途徑仍然受到量子存儲(chǔ)壽命和讀出效率等因素的嚴(yán)重制約而無法實(shí)際應(yīng)用。

“另一種就是利用衛(wèi)星平臺(tái)。因?yàn)樵谔罩校l(wèi)星軌道附近基本上是真空，大部分空氣都貼在地球表面。所以，從太空中向地面發(fā)射糾纏光子，受到的干擾會(huì)比較小，損耗也小，結(jié)合衛(wèi)星的中轉(zhuǎn)，有望在全球尺度上實(shí)現(xiàn)超遠(yuǎn)距離的量子糾纏分發(fā)。”潘建偉說，“我們研究團(tuán)隊(duì)決定選擇用這種途徑來擴(kuò)展量子糾纏分發(fā)的距離，并于2003年就提出了利用衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離量子糾纏分發(fā)的方案。”

衛(wèi)星過境時(shí)，在1200公里間實(shí)現(xiàn)星地雙向量子糾纏分發(fā)

此次實(shí)驗(yàn)是如何進(jìn)行的？

“‘墨子號(hào)’過境時(shí)，同時(shí)與青海德令哈站和云南麗江高美古站兩個(gè)地面站建立光鏈路。”中科院上海技術(shù)物理研究所研究員、量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星工程常務(wù)副總師、衛(wèi)星系統(tǒng)總指揮王建宇說，衛(wèi)星上的糾纏源載荷每秒產(chǎn)生800萬個(gè)糾纏光子對，建立光鏈路可以以每秒1對的速度在地面超過1200公里的兩個(gè)站之間建立量子糾纏，該量子糾纏的傳輸衰減僅僅是同樣長度最低損耗地面光纖的一萬億分之一。

潘建偉說：“在關(guān)閉局域性漏洞和測量選擇漏洞的條件下，我們獲得的實(shí)驗(yàn)結(jié)果以4倍標(biāo)準(zhǔn)偏差違背了貝爾不等式，即在千公里的空間尺度上實(shí)現(xiàn)了嚴(yán)格滿足‘愛因斯坦定域性條件’的量子力學(xué)非定域性檢驗(yàn)。”

《科學(xué)》雜志的審稿人稱贊該成果是“兼具潛在實(shí)際現(xiàn)實(shí)應(yīng)用和基礎(chǔ)科學(xué)研究重要性的重大技術(shù)突破”。

潘建偉表示，運(yùn)用所發(fā)展的量子糾纏分發(fā)技術(shù)，研究團(tuán)隊(duì)正在開展實(shí)驗(yàn)創(chuàng)建密鑰，以實(shí)現(xiàn)天地間的信息傳輸。目前量子通信的一個(gè)主要的挑戰(zhàn)是，如何在白天有大量光量子的情況下分辨并接收到量子衛(wèi)星的信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)量子通信。“墨子號(hào)”衛(wèi)星的其他重要科學(xué)實(shí)驗(yàn)任務(wù)，包括高速星地量子密鑰分發(fā)、地星量子隱形傳態(tài)等，也在緊張順利地進(jìn)行中，預(yù)計(jì)今年會(huì)有更多科學(xué)成果陸續(xù)發(fā)布。《 人民日報(bào) 》（ 2017年06月17日 04 版）

[責(zé)任編輯：楊凡、彭芳]

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