衛(wèi)星上天，量子落地：中國終于領(lǐng)先太空量子實驗
? 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)團隊千公里級別的量子糾纏分發(fā)實驗登上《科學(xué)》雜志封面。Credit：Science
撰文 | 林 梅
責(zé)編 | 陳曉雪
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黑夜降臨。一串串的糾纏光子對，以每秒800萬個的發(fā)射速率，從距離地面600-1400公里的衛(wèi)星出發(fā)，奔向兩個地面天文觀測站。這些糾纏光子中，有的在大氣中衰減，有的在長途跋涉中擴散，極少數(shù)的幸運兒經(jīng)歷重重磨難抵達地球上相距1200公里的兩個點上望遠鏡的入口，其中只有一部分能被成功測量，最終每秒成功分發(fā)一對糾纏光子對。
這是人類第一次嘗試在千公里級別的量子糾纏分發(fā)實驗驗證量子力學(xué)的正確性。
而且成功了。研究顯示，實驗結(jié)果在4倍標準差下違背了貝爾不等式，驗證了量子糾纏在千公里距離依然存在。
“我們首次完成了千公里量級的的量子糾纏分發(fā)，這比使用目前最好的光纖效率要高萬億倍”，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授潘建偉介紹說，“我們完成了一件使用傳統(tǒng)的方法絕對不可能實現(xiàn)的事?！?/p>
“中國的這一實驗是一個相當非凡的技術(shù)成就?！痹谟鳥BC的報道中，牛津大學(xué)量子物理教授Artur Eker評價說。
2017年6月16日，《科學(xué)》（Science）雜志封面報道了這一結(jié)果。
這一突破，是潘建偉團隊籌劃了十多年的“墨子號”量子衛(wèi)星取得的第一個實驗成果。
量子糾纏
自20世紀初量子力學(xué)建立以來，關(guān)于糾纏現(xiàn)象的物理本質(zhì)就一直困惑著所有量子科學(xué)家。人們一直不理解，相距遙遠的兩個粒子是如何具有糾纏的特性。
以愛因斯坦為代表的一些科學(xué)家主張“定域?qū)嵲谛浴?，他們認為，量子力學(xué)是不完備的，測量結(jié)果一定受到了某種“隱變量”的預(yù)先決定。為了檢驗量子現(xiàn)象究竟是由“隱變量”事先決定，還是在測量時才坍縮成最終的結(jié)果并通過“超距作用”即時傳播，1964年，愛爾蘭物理學(xué)家貝爾提出了著名的“貝爾不等式”，該定理在定域?qū)嵲谛缘募僭O(shè)下，對于兩個分隔的粒子同時被測量時其結(jié)果的可能關(guān)聯(lián)程度建立了一個嚴格的限制，如果實驗上貝爾不等式不成立，則意味著定域?qū)嵲谡摬怀闪ⅰ?/p>
一直以來，人們設(shè)計了各種實驗方案驗證貝爾不等式正確與否，如果人們能在更遠的距離驗證量子糾纏的存在，即意味著在更大的空間尺度上驗證量子力學(xué)的正確性。
量子糾纏分發(fā)就是一種驗證貝爾不等式的實驗前提。它是把制備好的兩個糾纏粒子（通常為光子）分別發(fā)送到相距很遠的兩個點，通過觀察兩個點的測量結(jié)果是否符合貝爾不等式來檢驗量子糾纏的存在。由于光子在光纖和大氣傳輸中急劇衰減，所以在地球表面，百公里級別的量子糾纏分發(fā)幾乎已經(jīng)是極限，而利用衛(wèi)星實現(xiàn)的量子糾纏分發(fā)可謂實現(xiàn)距離擴展的最佳方案，外太空的真空環(huán)境對光的傳輸來說幾乎不存在衰減和退相干效應(yīng)，星地間的自由空間信道損耗小，甚至理論上，利用衛(wèi)星，科學(xué)家們可以在地球上的任意兩點之間建立起量子信道，有可能在全球尺度上實現(xiàn)超遠距離的量子糾纏分發(fā)。
十余年技術(shù)準備
潘建偉最早產(chǎn)生利用量子衛(wèi)星實現(xiàn)遠距離量子糾纏分發(fā)進而開展實驗檢驗貝爾不等式等工作，是在2003年——距離他從奧地利的維也納大學(xué)獲得實驗物理博士學(xué)位只有4年，回到合肥建立自己的實驗室1-2年。
“很多人認為這個想法太瘋狂了，因為當時在一個設(shè)備完美的實驗室做這些復(fù)雜的量子光學(xué)實驗就已經(jīng)非常有挑戰(zhàn)性了。所以，要在幾千公里的距離做相似的實驗，衛(wèi)星相對地面的飛行速度還是每秒8公里，怎么可能做到？！”潘建偉回憶道。
“完成這一實驗的難度，相當于在300米以外清楚地看到一個人的一根頭發(fā)，或者是從地球檢測到來自月球的一根火柴點燃發(fā)出的光子?！?/span>潘建偉進一步解釋說。
為了證明星地糾纏分發(fā)是可能的，潘建偉和同事彭承志開始在合肥的大蜀山著手實驗，看糾纏光子是不是能夠穿破大氣層。
2005年，潘建偉和彭承志等人在國際上首次實驗了水平距離13公里（大氣層垂直厚度約為5-10公里）的自由空間雙向量子糾纏分發(fā)，該實驗一方面首次在科學(xué)上證實了經(jīng)過遠距離大氣信道傳輸之后糾纏的特性仍能保持，另一方面這個傳輸距離超過了大氣層的等效厚度，給了國際學(xué)術(shù)界第一個信心，表明進行衛(wèi)星和地面之間的糾纏分發(fā)是可能的。
?圖1：2005年水平距離13公里的自由空間雙向量子糾纏分發(fā)
2010年，該團隊在國際上首次實現(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)隱形傳輸實驗也從實驗室走到了戶外。
基于前期關(guān)鍵技術(shù)準備，2011年底，中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項“量子科學(xué)實驗衛(wèi)星”正式立項。2012年，潘建偉領(lǐng)導(dǎo)的團隊在青海湖實現(xiàn)了首個超過102公里的糾纏光子對分發(fā)實驗，實驗中衰減范圍最高達到80dB，模擬了衛(wèi)星分發(fā)光子對在雙向鏈路衰減非常大的情況下經(jīng)過大氣信道傳輸仍可保持，進一步驗證了衛(wèi)星-地面糾纏分發(fā)的可行性。
?圖2：超過102km的糾纏光子對分發(fā)實驗
研制“墨子號”
隨后的幾年，該團隊重點投入力量研制“墨子號”量子科學(xué)實驗衛(wèi)星。
實際上，“墨子號”要突破的技術(shù)難題，不僅僅是驗證光能穿透大氣層，還有很多技術(shù)上的難關(guān)。比如，我們平時看到星星閃爍，是因為大氣層有湍流，對成像有變化?！澳阋C明大氣的湍流帶來的光斑移動不受影響，就需要發(fā)展自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)”，潘建偉介紹說。
另外，盡管80%的光能穿透大氣，但是光有個衍射極限，雖然這個衍射角度很小，但在長距離的空間傳輸后，光斑會變大，而地面站接收光子的望遠鏡口相對較小，存在幾何損耗。
此外，“月亮有反射光，地面也有散射光，想要把這些雜散背景去掉，這本身也非常困難；最重要的是，衛(wèi)星是高速飛行的，地面要模擬飛行角速度，使得轉(zhuǎn)動跟衛(wèi)星一致，需要優(yōu)化地面跟瞄系統(tǒng)精度……凡此種種，原理性實驗都要做。”潘建偉說。
為衛(wèi)星上空準備的這段時間里，潘建偉的心一直懸在半空中。有時候，他和同事感到“一切都沒問題”，為衛(wèi)星即將上空而歡欣激動，但有些時候也會想到“衛(wèi)星可能會崩潰，不能工作”而不安。
去年8月，“墨子號”成功在酒泉衛(wèi)星中心發(fā)射，順利在距離地球500公里的軌道運行。設(shè)計在太陽同步軌道上的“墨子號”，與四個量子通信地面站（南山、德令哈、興隆、麗江量子通信地面站）和一個空間量子隱形傳態(tài)實驗站（阿里量子隱形傳態(tài)實驗平臺）一起，構(gòu)成了一個巨大的量子光學(xué)實驗室，實驗室有效空間達到10萬平方千米，成為探索量子網(wǎng)絡(luò)、量子力學(xué)及量子引力的新的平臺。
“墨子號”完成的第一個科學(xué)實驗
衛(wèi)星上天后，潘建偉和同事馬不停蹄地對“墨子號”進行在軌測試。
他們還是遇到了一些麻煩?！靶l(wèi)星運行在太空惡劣的環(huán)境下，空間環(huán)境對實驗的影響比我們預(yù)想得要糟糕?！迸私▊ズ屯禄撕荛L時間尋找原因，“我們曾經(jīng)一度擔(dān)心，可能這三個實驗全部做不成了”。除了量子糾纏分發(fā)實驗，“墨子號”還有另外兩個任務(wù)：星地高速量子密鑰分發(fā)實驗、地星量子隱形傳態(tài)實驗。
幸運的是，他們后來解決了這些問題。
在本次實驗中，“墨子號”量子科學(xué)實驗衛(wèi)星利用星上搭載的量子糾纏光源和發(fā)射望遠鏡制備并發(fā)送在偏振方向上存在糾纏的光子對。在衛(wèi)星過境的短短300秒內(nèi)，望遠鏡分別精確地指向德令哈和麗江地面站，兩個地面站的接收系統(tǒng)精確跟瞄衛(wèi)星飛行角速度，隨著衛(wèi)星轉(zhuǎn)動，衛(wèi)星同時與兩個地面站建立量子信道，將糾纏光子發(fā)送到地面站，地面站隨機選取基矢對光子偏振方向進行符合測量，測量到的大量統(tǒng)計結(jié)果用來驗證貝爾不等式成立與否。
兩個地面站相距1200公里，衛(wèi)星到兩個地面站的總距離平均為2000公里，衛(wèi)星上的糾纏源每秒可產(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。
而利用光纖輸送量子信號，潘建偉介紹，“距離達到1200公里之后，大概每3萬年只能送一個光子”，現(xiàn)在的實驗實現(xiàn)了每秒累積到一個有效的數(shù)據(jù)，“相當于要三萬年做成的事情我們一秒鐘就做到了”。
足夠大的空間距離和足夠快速的測量切換時間保證了“類空間隔”的測量要求，關(guān)閉了局域性漏洞和測量選擇漏洞。實驗結(jié)果表明，以4倍標準偏差違背了貝爾不等式，即以超過99.9%的置信度在千公里距離上驗證了量子力學(xué)正確性，實現(xiàn)了嚴格滿足“愛因斯坦定域性條件”的量子力學(xué)非定域性檢驗。
目前，“墨子號”的三個實驗任務(wù)除了已經(jīng)在《科學(xué)》雜志發(fā)表的結(jié)果，其他兩個也已經(jīng)基本完成。“墨子號”的壽命還有一年半的時間，接下來，潘建偉還將與國際上的同事一起完成洲際的量子密鑰分發(fā)實驗。
“墨子號”只能在晚間工作，因為白天的陽光過于強烈。“我們下一步就要來解決白天黑夜都可以做實驗的問題，白天哪怕有太陽光的照射?！?/span>潘建偉說。
量子互聯(lián)網(wǎng)
“這是全球量子安全通信的第一步，甚至是量子互聯(lián)網(wǎng)（quantum internet）的第一步。”維也納大學(xué)量子物理學(xué)家Anton Zeilinger在接受英國的《新科學(xué)人》（New Scientist）采訪時說。
“這是一個重要的里程碑，因為如果我們將來有一個量子互聯(lián)網(wǎng)，我們需要在如此長距離的范圍內(nèi)發(fā)送糾纏?！薄八麄冮_始了這個大膽的想法，并設(shè)法做到這一點?！奔幽么蠡F盧大學(xué)的物理學(xué)家Thomas Jennewein告訴《科學(xué)美國人》（Scientific American）。
而在去年，諾貝爾物理學(xué)獎得主、伊利諾伊大學(xué)香檳分校物理學(xué)教授 Anthony J. Leggett在接受國內(nèi)媒體《科學(xué)新聞》時也表示，“如果此次量子科學(xué)實驗衛(wèi)星上的實驗?zāi)軌颢@得成功，那么它肯定會為最終的‘量子互聯(lián)網(wǎng)’打下堅實的基礎(chǔ)”。
實際上，潘建偉團隊的一個重要目標，就是建立一個全球性的量子互聯(lián)網(wǎng)。所謂量子互聯(lián)網(wǎng)，就是量子加密的互聯(lián)網(wǎng)?！拔覀兘裉斓木W(wǎng)絡(luò)是受到數(shù)學(xué)算法的保護，未來的量子網(wǎng)絡(luò)將受到物理定律或者說自然法則的保護，將會超級安全?！毖芯康膮⑴c者之一、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授陸朝陽說。
要實現(xiàn)量子互聯(lián)網(wǎng)，處于低軌的“墨子號”顯然無法滿足需求。“我們會研究一個高軌衛(wèi)星，使它能夠跟地面有更多的對接時間”，潘建偉說，“這樣光走更遠的距離，我們照樣能夠得到信號很好的接收?！?/span>
“我們會按照目前的理論模型做一些估算，來看看我們要把它精度做到什么程度才能來開展后面的實驗。”潘建偉說。
“中國已經(jīng)在量子通信領(lǐng)域取得領(lǐng)先地位”，在《科學(xué)美國人》的報道中，日內(nèi)瓦大學(xué)物理學(xué)家Nicholas Gisin說，“這一研究表明全球量子通信是可能的，并將在不久的將來實現(xiàn)。”
參考資料：
1.http://www.nature.com/news/chinese-satellite-is-one-giant-step-for-the-quantum-internet-1.20329
2.http://www.bbc.com/news/science-environment-40294795
3.http://www.nature.com/news/china-s-quantum-space-pioneer-we-need-to-explore-the-unknown-1.19166
4.https://www.newscientist.com/article/2134843-chinese-satellite-beats-distance-record-for-quantum-entanglement/
5.https://www.scientificamerican.com/article/china-shatters-ldquo-spooky-action-at-a-distance-rdquo-record-preps-for-quantum-internet/
（感謝中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)合肥微尺度實驗室張文卓副研究員及李東東對本文成文的幫助）
制版編輯：斯嘉麗丨
