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視覺中國(guó) 供圖

　　“鬼魅般的遠(yuǎn)距作用”——近百年前，愛因斯坦對(duì)量子糾纏提出疑問

　　當(dāng)兩個(gè)量子發(fā)生“糾纏”，一個(gè)變了，另一個(gè)也會(huì)“瞬變”，無論它們之間相隔多遠(yuǎn)。——如同“心靈感應(yīng)”，這就是量子力學(xué)理論中神奇的“量子糾纏現(xiàn)象”

　　這是一次愛因斯坦和玻爾的世紀(jì)之爭(zhēng)在空間的檢驗(yàn)。一個(gè)執(zhí)著于隱變量理論，另一個(gè)執(zhí)著于微觀世界的觀測(cè)結(jié)果。愛因斯坦不承認(rèn)現(xiàn)實(shí)是非定域的或不確定的，他堅(jiān)信任何物理效應(yīng)都不可能以大于光速的速度傳遞。

　　近日，中國(guó)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(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，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)，在空間量子物理研究方面取得重大突破。這意味著量子通信向?qū)嶋H應(yīng)用邁出一大步。相關(guān)成果6月16日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。

　　“當(dāng)女朋友叫嚷著讓你離開”

　　量子糾纏是由量子疊加原理引申出來的。關(guān)于量子疊加，有一個(gè)很形象的比喻：當(dāng)你的女朋友叫嚷著讓你離開，你不知道是該安靜離開還是上去抱緊她。如果把量子疊加原理用于多個(gè)量子的情況就是量子糾纏，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(cè)量其中一個(gè)粒子必然會(huì)影響其他粒子，這被稱為量子力學(xué)非定域性，是量子力學(xué)最神奇的現(xiàn)象之一。量子糾纏分發(fā)，就是把制備好的兩個(gè)糾纏粒子（通常為光子）分別發(fā)送到相距很遠(yuǎn)的兩個(gè)點(diǎn)。通過觀察兩個(gè)點(diǎn)的統(tǒng)計(jì)測(cè)量結(jié)果是否破壞貝爾不等式，可以在量子不確定性和愛因斯坦的定域性之間做出選擇。

　　由于量子糾纏非常脆弱，會(huì)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。

　　為什么稱之為“隱形”傳輸？

　　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。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)。但這種方式對(duì)精度要求極高，好比從萬米高空飛機(jī)上扔下一連串硬幣，在地面用存錢罐接住。

　　2010年，團(tuán)隊(duì)在國(guó)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。量子態(tài)隱形傳輸是一種全新的通信方式，它傳輸?shù)牟辉偈墙?jīng)典信息，而是量子態(tài)攜帶的量子信息，是未來量子通信網(wǎng)絡(luò)的核心要素。2012年，潘建偉領(lǐng)導(dǎo)的中科院聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)在青海湖實(shí)現(xiàn)了首個(gè)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。隨后，該團(tuán)隊(duì)經(jīng)過艱苦攻關(guān)，克服種種困難，最終研制成功了“墨子號(hào)”量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星。

　　星地量子糾纏分發(fā)作為衛(wèi)星的三大科學(xué)實(shí)驗(yàn)任務(wù)之一，是國(guó)際上首次在空間尺度上開展的量子糾纏分發(fā)實(shí)驗(yàn)。通過在量子衛(wèi)星上配置量子糾纏光源及兩套發(fā)射望遠(yuǎn)鏡，同時(shí)與青海德令哈站和云南麗江站兩個(gè)地面站建立光鏈路，星地建立雙向量子信道，將糾纏光子發(fā)送到地面站，由地面站對(duì)糾纏光子進(jìn)行測(cè)量。衛(wèi)星上的糾纏源載荷每秒產(chǎn)生800萬個(gè)糾纏光子對(duì)，建立光鏈路可以使得相距1200公里以上的兩個(gè)地面站之間以每秒一對(duì)的速度建立起量子糾纏?？蓜e小看了這每秒一對(duì)的速度，如果使用傳統(tǒng)的光纖鏈路，分發(fā)這么一對(duì)光子需要3萬年。借助“墨子號(hào)”量子衛(wèi)星，量子糾纏的傳輸衰減，僅僅是同樣長(zhǎng)度地面光纖最低損耗的一萬億分之一。

　　量子衛(wèi)星首席科學(xué)家潘建偉院士說，今年7月，將在北京和維也納舉行安全加密的視頻會(huì)議，但大尺度量子網(wǎng)絡(luò)進(jìn)入千家萬戶還要10年甚至更長(zhǎng)時(shí)間。

　　“就讓潘建偉瘋狂一回吧！”

　　加拿大滑鐵盧大學(xué)物理學(xué)家托馬斯·詹內(nèi)懷恩說：“這是一個(gè)巨大的成就。他們很早就有了這個(gè)大膽超前的想法，并最終把它實(shí)現(xiàn)了”。潘建偉說，他非常感激2003年國(guó)家對(duì)遠(yuǎn)距離量子糾纏分發(fā)項(xiàng)目的支持，當(dāng)時(shí)專家組盡管有不同的聲音，但最后拍板“就讓潘建偉瘋狂一回吧！”量子衛(wèi)星科學(xué)應(yīng)用系統(tǒng)總師彭承志當(dāng)時(shí)還是一頭黑發(fā)，如今頭發(fā)已經(jīng)花白，“相當(dāng)于抗日戰(zhàn)爭(zhēng)14年吧，經(jīng)歷了許多的困難，還是覺得很自豪的?！?/p>

　　“我是做遙感工程出身，深感這樣的大科學(xué)團(tuán)隊(duì)合作機(jī)制非常有利于成果產(chǎn)出。”量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星工程常務(wù)副總師王建宇介紹，剛開始做單點(diǎn)密鑰分發(fā)，這相當(dāng)于從合肥打一束光到北京，必須精準(zhǔn)到哪一扇窗。這次的量子糾纏分發(fā)，是一顆衛(wèi)星對(duì)準(zhǔn)兩個(gè)地面站，這樣的精度要求是目前國(guó)際上最高的，相當(dāng)于嫦娥在月球上劃了根火柴，也能探測(cè)得到。

　　盡管原定兩年的在軌實(shí)驗(yàn)任務(wù)半年內(nèi)就完成了，潘建偉依然充滿危機(jī)感?！懊绹?guó)科學(xué)家說，雖然第一艘宇航飛船和第一個(gè)人造衛(wèi)星都是蘇聯(lián)做出來的，但登月卻是美國(guó)第一個(gè)實(shí)現(xiàn)。他們覺得只要努力，就可以在量子領(lǐng)域趕超中國(guó)。我們不敢懈怠?！迸私▊フf。

　　如果距離再遠(yuǎn)一些，量子糾纏是否仍然存在？潘建偉說，他們希望能在30萬公里遠(yuǎn)的距離，繼續(xù)檢驗(yàn)量子力學(xué)。未來，可能會(huì)和探月工程相結(jié)合?！?/p>

　?。ㄔd于《解放日?qǐng)?bào)》 2017-06-17 03版）