千余公里之外，量子糾纏還在。中國(guó)實(shí)驗(yàn)回答愛因斯坦之惑
量子通信研究 中國(guó)繼續(xù)領(lǐng)跑

6月16日，我國(guó)科學(xué)家利用“墨子號(hào)”量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星在國(guó)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(lái)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(duì)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(guó)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(guó)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(guó)家天文臺(tái)、紫金山天文臺(tái)、國(guó)家空間科學(xué)中心等，在中國(guó)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(guó)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(guó)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(guó)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?！八莾蓚€(gè)（或多個(gè)）粒子共同組成的量子狀態(tài)，無(wú)論粒子之間相隔多遠(yuǎn)，測(cè)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(duì)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?！迸私▊フf(shuō)，“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?！?/p>

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(wú)法理解的所謂“隱變量”操縱的。那么，愛因斯坦到底說(shuō)得對(duì)不對(duì)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(duì)對(duì)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(duì)糾纏光子的偏振方向進(jìn)行測(cè)量?！敝袊?guó)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(shuō)，“如果測(cè)量結(jié)果滿足貝爾不等式的話，說(shuō)明愛因斯坦是對(duì)的；否則，證明量子力學(xué)非定域性是真實(shí)存在的?！?/p>

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(cè)量事件的類空間隔，科學(xué)家總是要將兩個(gè)探測(cè)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(shuō)，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(zhǎng)。

“即使采用目前最先進(jìn)的理想單光子探測(cè)器，在1200公里光纖中進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)量子通信，每3萬(wàn)年也只能傳輸一個(gè)比特。就好比一支擁有100萬(wàn)人的隊(duì)伍，到最后可能只剩下幾個(gè)人，花了很長(zhǎng)時(shí)間才能抵達(dá)目的地?！迸私▊フf(shuō)，“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?！?/p>

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(shuō)，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(lái)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(wú)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?，衛(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)?！迸私▊フf(shuō)，“我們研究團(tuán)隊(duì)決定選擇用這種途徑來(lái)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?！?/p>

衛(wèi)星過(guò)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(guò)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?！敝锌圃荷虾＜夹g(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(shuō)，衛(wèi)星上的糾纏源載荷每秒產(chǎn)生800萬(wàn)個(gè)糾纏光子對(duì)，建立光鏈路可以以每秒1對(duì)的速度在地面超過(guò)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(zhǎng)度最低損耗地面光纖的一萬(wàn)億分之一。

潘建偉說(shuō)：“在關(guān)閉局域性漏洞和測(cè)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)?！?/p>

《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?！澳犹?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。（記者 吳月輝）