我國在國際上率先實現千公里級的星地雙向量子糾纏分

“量子科學實驗衛星”工作示意圖。（資料圖片）

◀ “量子科學實驗衛星”模型。（資料圖片）

這是一場跨越千里的“糾纏”，一方來自青海德令哈站，另一方遠在雲南麗江站。儘管相距千里之遙，這對從未謀面的“陌生人”——粒子，卻上演了一場舉世震驚的“心心相印”大戲——

作為見證者，中國量子科學實驗衛星首席科學家、中國科學技術大學副校長潘建偉院士6月16日對外宣佈：中國率先實現了“千公里級”的星地雙向量子糾纏分發，首次在太空中較為嚴格地驗證了量子力學非定域性。

“這是一個巨大的成就，他們很早就有了這個大膽超前的想法，並最終實現了。”加拿大滑鐵盧大學物理學家延內魏因如是評價。

鬼魅般的超距作用

通過量子糾纏所建立起來的量子信道不可破譯，將成為未來保密通信的“終極武器”

“處在特殊狀態（糾纏態）的粒子，無論相隔多遠，當對其中一個粒子進行操作或測量，身處遠方的其他粒子會瞬時發生相應的改變。”

這種“心靈感應”似的神祕關聯，便是神奇的“量子糾纏”現象，也稱量子力學非定域性。簡單來說，量子糾纏即兩個（或多個）粒子共同組成的量子狀態。何謂量子？它是構成物質的最基本單元，也是能量的基本攜帶者，人們所熟知的分子、原子、電子、光子等微觀粒子，皆是其表現形態之一。

按我們以往的認識，一隻貓非生即死，不能同時“又生又死”。根據潘建偉的解釋，在量子世界中，當貓和我們沒有相互作用的時候，它可以處於“生”和“死”同時疊加的狀態，此時，我們再去測量兩隻分處異地的貓，當確定其中一隻為生時另外一隻也為生，反之則為死，哪怕這兩隻貓相隔甚遠。

對於這種“鬼魅般的超距作用”，愛因斯坦深表懷疑。“對一個粒子的測量不會對另一個粒子產生影響。”他堅稱。以玻爾為代表的哥本哈根學派則持反對意見，他們認為，對一個粒子的測量會瞬間改變另一個粒子的狀態。

究竟孰是孰非？過去的大半個世紀裡，物理學家們圍繞這一話題爭論不休。因為，量子的這一奇妙特性一旦得到驗證，將有一個最為直接的應用——通過量子糾纏所建立起來的量子信道不可破譯，將成為未來保密通信的“終極武器”。

上世紀70年代，法國物理學家阿斯派克特的3個實驗曾給出了量子非定域性的明確結論。但是，最初的這些實驗驗證存在種種漏洞。量子糾纏“鬼魅般的超距作用”在更遠的距離上是否仍然存在？會不會受到引力等其他因素的影響？這些基本物理問題的驗證有賴於上千公里甚至更遠距離的量子糾纏分發。

如何把製備好的兩個糾纏粒子分別發送到相距很遠的兩個點？中科院上海技術物理研究所研究員、量子科學實驗衛星工程常務副總師、衛星系統總指揮王建宇介紹，“墨子號”衛星過境時，同時與青海德令哈站和雲南麗江高美古站兩個地面站建立光鏈路，衛星上的糾纏源載荷每秒產生800萬個糾纏光子對，光鏈路以每秒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。

“高精度的實驗技術保證了兩地的獨立測量時間間隔足夠小，結果以99.9%的置信度在千公里距離上驗證了量子力學的正確性，實現了嚴格滿足‘愛因斯坦定域性條件’的量子力學非定域性檢驗。”潘建偉稱。

這意味著什麼？一句話，即便相距千里之遙，量子糾纏效應依然有效。

實用化進程再提速

13公里、16公里、百公里，“咬住青山不放鬆”，他們不斷擴展量子糾纏分發的距離，並向新目標努力奔跑

當然，除了驗證量子力學非定域性的存在，此番量子糾纏成功跨越千里，更重要的意義在於將量子通信實用化進程又向前推進了一大步。

“利用量子糾纏所建立的量子信道，是構建量子信息處理網絡的基本單元，而要構建廣域的量子網絡，第一步就是要實現遠距離的量子糾纏分發。”潘建偉解釋。

理想很豐滿，現實很骨感。由於量子糾纏非常脆弱，其在遠距離光纖傳輸中，一來損耗過大，二來與環境的耦合會使糾纏品質大大下降；在近地傳輸過程中，還會受到地面障礙物、地表曲率等影響。受種種因素限制，此前國內外地面實驗的量子糾纏分發距離一直停留在百公里量級。

如何有效擴展量子糾纏分發的距離？理論上有兩種途徑。一種是利用量子中繼，但目前由於受到量子存儲壽命和讀出效率等因素的嚴重製約，無法實際應用於遠程量子糾纏分發。另一種則是利用衛星向地面分發。

“相比光纖，星地間的自由空間信道損耗小，結合衛星的幫助，可以在全球尺度上實現超遠距離的量子糾纏分發。”2003年，潘建偉團隊提出利用衛星實現遠距離量子糾纏分發的方案。13公里、16公里、百公里，“咬住青山不放鬆”，他們不斷擴展量子糾纏分發的距離，並向新目標努力奔跑。2016年8月16日，“墨子號”成功發射，衛星的科學任務之一即是雙向星地量子糾纏分發。

“這是世界上第一次實現千公里量級的量子糾纏。”根據潘建偉的測算，實驗中，量子糾纏的傳輸衰減僅僅是同樣長度地面光纖最低損耗的一萬億分之一。而即便選用超低損耗光纖，將一對光子分發到千公里以外也得需要3萬年的時間。“這就完全喪失了通信的意義。”潘建偉說。

向著終極目標努力奔跑

今後或將在地月拉格朗日點放上光源，向人造飛船和月球分發量子糾纏，朝著“30萬公里”的終極目標繼續努力

從百里到千里，量子糾纏分發距離的這一跨越，究竟有多難？王建宇打了個比方：如果把光量子看成一個個1元硬幣，星地量子分發就相當於從萬米高空飛行的飛機上，不斷把上億個硬幣準確投入持續旋轉的儲蓄罐狹小的投幣口中。

這種星地間“針尖對麥芒”的遠距離量子糾纏分發對精度要求極高。“光子是光裡最小的單位，要探測到每個光子，就像在地球上，要看到月球上劃亮的一根火柴。”王建宇這樣形容。

是挑戰也是機遇——

“這是兼具潛在實際現實應用和基礎科學研究重要性的重大技術突破。”《科學》雜誌幾位審稿人斷言，“毫無疑問，這將在學術界和廣大社會公眾中產生非常巨大的影響”。

美國波士頓大學量子技術專家謝爾吉延科評價：這是一個英雄史詩般的實驗，中國研究人員的技巧、堅持和對科學的奉獻應該得到最高的讚美與承認。

讚譽紛至沓來，潘建偉沒有刻意迴避，他稱“這是量子衛星上天以來，迄今為止發佈的最大成果”，未來將為開展大尺度量子網絡和量子通信實驗研究，以及開展外太空廣義相對論、量子引力等物理學基本原理的實驗檢驗奠定可靠的技術基礎。

運用所發展的量子糾纏分發技術，研究團隊正在開展實驗創建密鑰，以實現天地間的信息傳輸。“目前，量子通信的一個主要挑戰是：如何在白天有大量光量子的情況下，分辨並接收到量子衛星的信號，以實現量子通信。”根據潘建偉的設想，他們今後或將在地月拉格朗日點放上光源，向人造飛船和月球分發量子糾纏，朝著“30萬公里”的終極目標繼續努力。

前景依稀明朗，腳步漸漸加速。“‘墨子號’衛星的其他重要科學實驗任務，包括高速星地量子密鑰分發、地星量子隱形傳態等，也在緊張順利地進行中，預計今年會有更多科學成果陸續發佈。”潘建偉表示，目前量子通信技術已有很多突破，隨著中國科技的迅猛發展，量子通信有望在“十三五”時期實現初步應用，但絕對安全的量子通信規模化應用可能還得需要10多年甚至更長時間。

按照計劃，今後我國還將陸續發射多顆量子衛星，力爭在2030年前後率先建成全球首個天地一體化的實用性廣域量子通信網絡。（經濟日報·中國經濟網記者 沈 慧）