6月16日國際權威學術期刊《科學》用封面形式發表了中國科學技術大學教授、量子衛星項目首席科學家潘建偉團隊題為《基於衛星的糾纏分發距離超過1200公里》的相關論文。圖為潘建偉在中國科學技術大學理化大樓報告廳作成果介紹（攝：謝震霖）
站在中國科學技術大學理化大樓報告廳的中央，中科院院士潘建偉難掩內心的欣喜。今天，國際權威學術期刊《科學》以封面文章，刊發了全球首顆量子科學實驗衛星“墨子號”上天以來的首個重大成果——在太空中迴應量子力學的百年之爭。
“這是我迄今最重要的成果!”潘建偉從未如此高調地評價過自己的成績，即使他和同事的成果曾六次入選英國物理學會評選的“年度物理學重大進展”、五次入選美國物理學會評選的“年度物理學重大事件”、入選過英國《自然》雜誌評選的“百年物理學21篇經典論文”，也曾被美國《科學》雜誌評為“年度十大科技進展”。
“‘墨子號’是一種全新的科學研究工具，用它可以推開一扇扇我們甚至還沒想象出的科學之門。”潘建偉在接受媒體採訪時說，現在還只是鋒芒初試。
把實驗室搬到天地之間
量子之間“鬼魅般的超距作用”是否存在，是“玻爾-愛因斯坦論戰”的焦點。愛因斯坦認為，這種狀態不應該存在，因為這讓量子力學處於不完備的狀態，是一個成熟的理論體系不能容忍的。可玻爾卻認為，量子力學就是這樣的。他們誰正確呢？物理學家嘗試過許多次實驗，不過都無法滿足一個苛刻的條件——愛因斯坦定域性條件。
這個條件為何如此難以滿足？因為愛因斯坦認為，要確認兩個量子糾纏之間的“超距作用”沒有“作弊嫌疑”，就必須讓兩個相互糾纏的量子分開，相隔的距離要比測得兩個光子狀態的時間乘以光速要遠——這才可以證明，沒有“超距作用”之外的任何信號幫忙把一個量子的信息傳給另一量子，因為沒有什麼粒子可以超過光速“奔跑”。
由於光子從進入探測器到儀器測出結果，需要一定時間，所以要實現愛因斯坦界定的條件，兩個糾纏態量子必須分開足夠遠。“這在地面上很難實現。”潘建偉說，因為光子在光纖中會被大量吸收，而量子糾纏的信號一旦衰減就無法放大，所以即使用目前世界上最好的光纖，也得需要一萬億秒才可能將一個光子送達目標，這顯然是無法忍受的。
然而光子穿透大氣，損耗要小得多。於是，潘建偉想到了利用衛星與地面基站，建立一個天地尺度的大實驗室，進行一次人類從未嘗試過的實驗。
慶幸自己回到了中國
“我剛提出這個設想時，幾乎沒人相信這事可以做成。”潘建偉說，他慶幸自己從奧地利回到了中國，“當時中國已經在航天、衛星設計方面有了相當積累，當我提出科學需求，很多團隊都匯聚到一起，為同一個目標而努力。”
2003年，潘建偉團隊最早提出利用衛星實現遠距離量子糾纏分發的方案，此後他們不斷驗證著方案的可行性。2011年底，中科院戰略性先導科技專項“量子科學實驗衛星”正式立項，航天載荷、衛星設計等各方力量都因這顆衛星而凝聚。
從500公里的高空向地面基站發射光子，就好像在飛機上將一個一元大小的硬幣，投入地面上一個旋轉著的儲蓄罐的投幣口中。正因有了優秀的載荷和地面量子終端，“墨子號”衛星在今年1月18日正式開展實驗後，立刻收到了高質量的數據。潘建偉興奮地說，原本準備做一年的實驗，兩個月就完成了。
天地實驗過程中，“墨子號”衛星每天經過地面站一次，每次300秒，衛星以每秒一對的速度，向地面站發送糾纏量子對。潘建偉說，他們很快積累了幾千個數據，相當精確地計算出了貝爾不等式的值為2.39士0.09。
貝爾不等式是英國物理學家貝爾為驗證量子力學完備性而推導出的一個公式：如果實驗得到的值小於等於2，那麼愛因斯坦的觀點是對的；如果在2-2.828之間，則玻爾贏了。
“新工具”開啟更多可能
其實，量子科學實驗衛星上的三大科學實驗全部都已成功完成，其他成果還將在今年陸續發佈。繼中國“墨子號”之後，國際上掀起了一股量子空間實驗的熱潮：歐盟啟動量子實驗衛星項目，加拿大也已為量子衛星立項，美國科學家也呼籲恢復量子衛星項目，日本、德國等也開始跟進。
中國在這一領域佔到了先機，潘建偉非常開心。因為，“墨子號”的作用不僅僅是這三大科學實驗，它還可以通過測量光子跑過長距離之後的極化變化，來檢驗量子引力模型——這也是量子力學的前沿問題；它也可以測量量子糾纏在引力影響下的衰退狀況，這對人類通過引力波認識宇宙，將大有幫助；根據普朗克的預測，時空可能並不是連續的，而是存在很多小間隙，它還可以嘗試驗證時空的連續性……潘建偉說，每一種新工具的誕生，都會為人類認識自然、解決科學問題，帶來很多新的可能性。
潘建偉透露，接下來將嘗試在北京與維也納之間開展密鑰分發和量子加密通話，此外還將嘗試讓衛星可以24小時開展工作。“未來我們還想發射中高軌衛星，使現在一天僅幾分鐘的實驗時間可以進一步延長，甚至全天候工作。”他說，這次量子糾纏的檢驗實驗還有終極目標未能達成——最令人信服的隨機數應該由人產生，而人產生隨機數的時間在100-200毫秒之間，因此量子糾纏分發的距離需要拓展到至少幾萬公里。
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