2016年11月9日，在河北興隆觀測站，“墨子號”量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星過境，科研人員在做實(shí)驗(yàn)（合成照片）。新華社記者 金立旺 攝
世界首顆量子衛(wèi)星“墨子號”首席科學(xué)家、中國科學(xué)院院士潘建偉說，這是首次實(shí)現(xiàn)空間尺度嚴(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)。
6月16日國際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》雜志以封面論文的形式刊登了中國科學(xué)家在空間量子物理研究方面取得的重大突破。
“幽靈作用”：世紀(jì)爭論
量子糾纏是量子物理中一個最深遠(yuǎn)和最令人費(fèi)解的現(xiàn)象，被愛因斯坦稱為“鬼魅般的超距作用”，它是兩個（或多個）粒子共同組成的量子狀態(tài)，無論粒子之間相隔多遠(yuǎn)，測量其中一個粒子必然會影響其它粒子。
盡管是量子力學(xué)的創(chuàng)始人之一，但愛因斯坦不相信存在“遙遠(yuǎn)地點(diǎn)間的詭異互動”，他認(rèn)為量子力學(xué)對客觀世界的描述是不完備的，量子力學(xué)一定還有某些因素尚待發(fā)現(xiàn)。然而量子力學(xué)的另一位創(chuàng)始人——玻爾認(rèn)為量子力學(xué)沒有問題，這種奇異現(xiàn)象是存在的。20世紀(jì)二三十年代，量子力學(xué)就在他們的爭論中發(fā)展起來。
到底哪一方理論正確，需要實(shí)驗(yàn)來檢驗(yàn)。
20世紀(jì)60年代，愛爾蘭物理學(xué)家貝爾原本支持愛因斯坦的觀點(diǎn)，他設(shè)計(jì)出一個數(shù)學(xué)公式，也就是貝爾不等式，提供了用實(shí)驗(yàn)在玻爾與愛因斯坦不同觀點(diǎn)之間做出判決的機(jī)會。目前科學(xué)家所進(jìn)行的所有實(shí)驗(yàn)都支持玻爾一方的觀點(diǎn)。
然而，目前的實(shí)驗(yàn)還存在漏洞。此外，量子糾纏在更遠(yuǎn)的距離上是否仍然存在？會不會受到引力等其它因素的影響？潘建偉說，這些基本物理問題的驗(yàn)證都需要實(shí)現(xiàn)上千公里甚至更遠(yuǎn)距離的糾纏分發(fā)；另一方面，要實(shí)現(xiàn)廣域的量子網(wǎng)絡(luò)也自然要求遠(yuǎn)距離的糾纏分發(fā)。
潘建偉說，由于量子糾纏非常脆弱，會隨著光子在光纖內(nèi)或者地表大氣中的傳輸距離而衰減，以往的量子糾纏分發(fā)實(shí)驗(yàn)只停留在百公里的距離。
他說，理論上有兩種途徑可以擴(kuò)展量子糾纏分發(fā)的距離。一種是利用量子中繼，盡管量子中繼的研究在近些年已取得了系列重要突破，但是目前仍然受到量子存儲壽命和讀出效率等因素的嚴(yán)重制約而無法實(shí)際應(yīng)用于遠(yuǎn)程量子糾纏分發(fā)。另一種是利用衛(wèi)星，因?yàn)樾堑亻g的自由空間信道損耗小，在遠(yuǎn)程量子通信中比光纖更具可行性，結(jié)合衛(wèi)星的幫助，可以在全球尺度上實(shí)現(xiàn)超遠(yuǎn)距離的量子糾纏分發(fā)。
2016年12月10日，在西藏阿里觀測站，“墨子號”量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星過境，科研人員在做實(shí)驗(yàn)（合成照片）。新華社記者 金立旺 攝
“墨子號”：世界首次空間尺度實(shí)驗(yàn)
潘建偉團(tuán)隊(duì)早在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，隨后于2005年在國際上首次實(shí)現(xiàn)了水平距離13公里的自由空間雙向量子糾纏分發(fā)。2010年，該團(tuán)隊(duì)又在國際上首次實(shí)現(xiàn)了基于量子糾纏分發(fā)的16公里量子態(tài)隱形傳輸。
2011年底，中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)“量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星”正式立項(xiàng)。2012年，潘建偉領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)在青海湖實(shí)現(xiàn)了首個百公里的雙向量子糾纏分發(fā)和量子隱形傳態(tài)，充分驗(yàn)證了利用衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)量子通信的可行性。
中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉教授及其同事彭承志等組成的研究團(tuán)隊(duì)，聯(lián)合中科院上海技術(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、紫金山天文臺、國家空間科學(xué)中心等經(jīng)過艱苦攻關(guān)，克服種種困難，最終研制成功了“墨子號”量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星。衛(wèi)星于2016年8月16日在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心發(fā)射升空。星地量子糾纏分發(fā)是衛(wèi)星的三大科學(xué)實(shí)驗(yàn)任務(wù)之一。
據(jù)介紹，“墨子號”衛(wèi)星過境時(shí)，同時(shí)與青海德令哈站和云南麗江站兩個地面站建立光鏈路，量子糾纏光子對從衛(wèi)星到兩個地面站的總距離平均達(dá)2000公里。衛(wèi)星上的糾纏源載荷每秒產(chǎn)生800萬個糾纏光子對，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。
量子衛(wèi)星工程常務(wù)副總師兼衛(wèi)星總指揮王建宇說，這項(xiàng)天地實(shí)驗(yàn)非常困難，量子衛(wèi)星上的光軸與地面望遠(yuǎn)鏡光軸要嚴(yán)格對準(zhǔn)，用一個形象的比喻就是針尖對麥芒。衛(wèi)星的對準(zhǔn)精度高于普通衛(wèi)星的10倍，實(shí)驗(yàn)才能順利展開。真正的問題在于，這顆衛(wèi)星將在人們的頭頂以約8公里/秒的速度飛馳，地面觀測站每次只能持續(xù)跟蹤幾分鐘。
王建宇說：“衛(wèi)星的對準(zhǔn)精度就好比我們在一萬米高空的飛機(jī)上，向地面扔一個一個硬幣，要準(zhǔn)確投入儲蓄罐狹長的投幣口內(nèi)，而儲蓄罐還在慢慢旋轉(zhuǎn)中；或者說從上海發(fā)射一束光，要瞄準(zhǔn)北京任何一扇窗戶，指哪打哪。而衛(wèi)星的探測靈敏度也是國際上最高的，相當(dāng)于在月球劃一根火柴，在地球上都能看到。”
潘建偉：目前為止最重要的研究成果
據(jù)介紹，“墨子號”開展的量子糾纏分發(fā)實(shí)驗(yàn)在關(guān)閉局域性漏洞和測量選擇漏洞的條件下，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)，再次支持了玻爾的觀點(diǎn)。
《科學(xué)》雜志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”，“絕對毫無疑問將在學(xué)術(shù)界和廣大的社會公眾中產(chǎn)生非常巨大影響”。
“到目前為止，這是我一生中最重要的實(shí)驗(yàn)研究成果。”已從事量子物理研究20多年，并獲得過國家自然科學(xué)一等獎的潘建偉說：“我們首次能在太空尺度對微觀物理學(xué)定律檢驗(yàn)，而且為將來開展量子引力檢驗(yàn)，探索物理學(xué)中的很多基本規(guī)律奠定了必要的技術(shù)基礎(chǔ)，打開了一扇大門。這些技術(shù)將來還能應(yīng)用于建設(shè)量子網(wǎng)絡(luò)。”
接下來，中國科學(xué)家還計(jì)劃利用量子衛(wèi)星，在中國和奧地利的地面站之間實(shí)現(xiàn)量子秘鑰分發(fā)，在北京與維也納之間實(shí)現(xiàn)量子加密通話，此外，加拿大等國家也提出與中國合作開展相關(guān)實(shí)驗(yàn)。
王建宇說：“目前‘墨子號’還只能晚上工作，我們希望未來發(fā)展技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)24小時(shí)都工作。現(xiàn)在衛(wèi)星每天真正過境工作時(shí)間只有200至300秒，我們希望未來能發(fā)射中高軌衛(wèi)星，使量子衛(wèi)星走向?qū)嵱谩！?/p>
潘建偉還有更為長遠(yuǎn)的目標(biāo)，希望在地月之間建立30萬公里的量子糾纏，并研究引力與時(shí)空的結(jié)構(gòu)。
“下一步，我們希望能在地月拉格朗日點(diǎn)上放一個光源，向人造飛船和月球分發(fā)量子糾纏。我們希望能夠通過對30萬公里或者更遠(yuǎn)距離的糾纏分發(fā)，來觀測其性質(zhì)的變化，對相關(guān)的理論作出解釋。”
據(jù)介紹，除了量子糾纏分發(fā)實(shí)驗(yàn)外，“墨子號”量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星的其它重要科學(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，也在順利進(jìn)行中，預(yù)計(jì)今年會有更多的科學(xué)成果陸續(xù)發(fā)布。
