量子纠缠相隔1200公里还存在吗？量子卫星迄今最大成果发布

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来源：上观新闻作者：黄海华 2017-06-16 17:41

摘要：以往的量子纠缠分发实验只停留在百公里的距离。

这是一次爱因斯坦和玻尔的世纪之争在空间的检验。一个执着于隐变量理论，另一个执着于微观世界的观测结果。爱因斯坦不承认现实是非定域的或不确定的，他坚信任何物理效应都不可能以大于光速的速度传递。

近日，中国科学技术大学潘建伟教授及其同事彭承志等组成的研究团队，联合中科院上海技术物理研究所王建宇研究组、微小卫星创新研究院、光电技术研究所、国家天文台、紫金山天文台、国家空间科学中心等，在中国科学院空间科学战略性先导科技专项的支持下，利用“墨子号”量子科学实验卫星在国际上率先成功实现了千公里级的星地双向量子纠缠分发，并在此基础上实现了空间尺度下严格满足“爱因斯坦定域性条件”的量子力学非定域性检验，在空间量子物理研究方面取得重大突破。这意味着量子通信向实用迈出一大步。

相关成果于6月16日以封面论文的形式发表在国际权威学术期刊《科学》杂志上。

当你的女朋友叫嚷着让你离开

量子纠缠，是由量子叠加原理引申出来的。关于量子叠加，有一个很形象的比喻：当你的女朋友叫嚷着让你离开，你不知道是该安静地离开还是上去抱紧她。如果把量子叠加原理用于多个量子的情况就是量子纠缠，它是两个（或多个）粒子共同组成的量子状态。1949年，吴健雄和萨科诺夫成功地证实了惠勒的预言，生成了历史上第一对纠缠的光子。

无论粒子之间相隔多远，测量其中一个粒子必然会影响其它粒子，这被称为量子力学非定域性，是量子力学最神奇的现象之一。而这在爱因斯坦看来根本无法接受——我都还来不及告诉你我要说什么，你怎么就发生变化了呢？

量子纠缠分发，就是把制备好的两个纠缠粒子（通常为光子）分别发送到相距很远的两个点。通过观察两个点的统计测量结果是否破坏贝尔不等式，可以在量子不确定性和爱因斯坦的定域性之间做出选择。贝尔不等式是1964年贝尔提出的一个强有力的数学不等式，某种意义上说，这位高能物理学家的出现结束了爱因斯坦和玻尔之争。贝尔让一台机器不断向两个方向发射一对对纠缠光子，然后随机沿着不同的角度，分别对纠缠光子的偏振方向进行测量（光子朝着某个方向进行振动，叫做偏振）。如果量子力学如爱因斯坦所说，每单次的测量结果并不是完全随机产生的，而是由某种人们目前还暂时无法理解的所谓“隐变量”操纵，并且一个地点的测量信息即使以光速飞行，也来不及在实验结束之前影响到另一个地点的测量，那么实验结果就会满足一个不等式，叫做贝尔不等式。如果这个不等式成立，爱因斯坦就赢了。

陈列于中国科技大学的量子卫星模型。黄海华摄

由于量子纠缠非常脆弱，会随着光子在光纤内或者地表大气中的传输距离而衰减，以往的量子纠缠分发实验只停留在百公里的距离。被爱因斯坦称之为“鬼魅般的超距作用”的量子纠缠在更远的距离上是否仍然存在？会不会受到引力等其它因素的影响？这些基本物理问题的验证都需要实现上千公里甚至更远距离的纠缠分发；另一方面，要实现广域的量子网络也自然要求远距离的纠缠分发。

为什么称之为“隐形”传输？

潘建伟团队早在2003年就提出了利用卫星实现远距离量子纠缠分发的方案。因为星地间的自由空间信道损耗小，在远程量子通信中比光纤更具可行性，结合卫星的帮助，可以在全球尺度上实现超远距离的量子纠缠分发。但这种方式对精度要求极高，好比从万米高空飞机上扔下一连串硬币，在地面用存钱罐的狭小切口接住。

他们随后于2005年在国际上首次实现了水平距离13公里（大于大气层垂直厚度）的自由空间双向量子纠缠分发。2010年，该团队在国际上首次实现了基于量子纠缠分发的16公里量子态隐形传输。量子态隐形传输是一种全新的通信方式，它传输的不再是经典信息而是量子态携带的量子信息，是未来量子通信网的核心要素。

2011年底，中科院战略性先导科技专项“量子科学实验卫星”正式立项。2012年，潘建伟领导的中科院联合研究团队在青海湖实现了首个百公里的双向量子纠缠分发和量子隐形传态，充分验证了利用卫星实现量子通信的可行性。随后，该团队经过艰苦攻关，克服种种困难，最终研制成功了“墨子号”量子科学实验卫星。卫星于2016年8月16日发射升空，经过四个月的在轨测试，2017年1月18日正式交付开展科学实验。星地量子纠缠分发作为卫星的三大科学实验任务之一，是国际上首次在空间尺度上开展的量子纠缠分发实验。

通过在量子卫星上配置量子纠缠光源及两套发射望远镜，同时与青海德令哈站和云南丽江站两个地面站建立光链路，星地建立双向量子信道，将纠缠光子发送到地面站，由地面站对纠缠光子进行测量。卫星上的纠缠源载荷每秒产生800万个纠缠光子对，建立光链路可以使得相距1200公里以上的两个地面站之间以每秒1对的速度建立起量子纠缠。可别小看了这每秒一对的速度，如果使用传统的光纤链路，分发这么一对光子需要3万年。借助“墨子号”量子卫星，量子纠缠的传输衰减，仅仅是同样长度地面光纤最低损耗的一万亿分之一。

发布会上展示的多张照片合成的量子卫星过境图。

获得的实验结果以99.9%的置信度破坏了贝尔不等式，即在1200公里的空间尺度上再次表明，爱因斯坦的愿望落空了。这一重要成果为未来开展大尺度量子网络和量子通信实验研究，以及开展外太空广义相对论、量子引力等物理学基本原理的实验检验奠定了可靠的技术基础。

量子卫星首席科学家潘建伟院士说，今年7月，将在北京和维也纳举行安全加密的视频会议，但大尺度量子网络进入千家万户还要10年甚至更长时间。

潘建伟院士在新闻发布会上。黄海华摄

“就让潘建伟疯狂一回吧！

加拿大滑铁卢大学物理学家托马斯·詹内怀恩说，“这是一个巨大的成就。他们很早就有了这个大胆超前的想法，并最终把它实现了。”

“这些想法不仅大胆，甚至可以说是疯狂。” 潘建伟说，他非常感激2003年国家对远距离量子纠缠分发项目的支持，当时专家组尽管有不同的声音，但最后拍板“就让潘建伟疯狂一回吧！”量子卫星科学应用系统总师彭承志，当时还是一头黑发的年轻小伙，如今头发已经花白，“相当于抗日战争14年吧，经历了许多的困难，还是觉得很自豪的。”

彭承志在发布会上。黄海华摄

“我是做遥感工程出身，深感这样的大科学团队合作机制非常有利于成果产出。”量子科学实验卫星工程常务副总师王建宇介绍，刚开始做单点密钥分发，这相当于从合肥打一束光到北京，必须精准到哪一扇窗。这次的量子纠缠分发，是一颗卫星对准两个地面站，这样的精度要求是目前国际上最高的，相当于嫦娥在月球上划了根火柴，也能探测得到。