量子衛星登上了Science的封面？所以，發生了什麼？

6月16日的《科學》雜誌（Science）封面再次被中國科學家的研究成果佔領了：中國科學技術大學潘建偉教授及其同事彭承志等，聯合中科院上海技術物理研究所王建宇組、微小衛星創新研究院、光電技術研究所、國家天文台、國家空間科學中心，通過中國的量子衛星「墨子號」實現了千公里級的量子糾纏分發實驗，並在這樣的尺度上驗證了量子力學的正確性。

「墨子號」於2016年8月發射升空，是世界上第一顆量子科學實驗衛星。

為什麼要做這樣的實驗？量子力學的正確性是如何被驗證的？這樣的結果有什麼意義嗎？

這就要從人類的一個夢想——量子通信講起了。

量子通信有兩種方式：量子密鑰分發和量子隱形傳態。前者利用量子的偏振特性作為密鑰來對信息進行加密，而後者利用量子糾纏的特性直接傳輸量子比特。

下面我們來談談量子糾纏吧！

量子力學中最神秘的就是疊加態，而「量子糾纏」正是多粒子的一種疊加態。以雙粒子為例，一個粒子A可以處於某個物理量的疊加態，能夠用一個量子比特來表示，同時另一個粒子B也可以處於疊加態。當兩個粒子發生糾纏，就會形成一個雙粒子的疊加態，也就是糾纏態。例如，有一種糾纏態就是，無論兩個粒子相隔多遠，只要沒有外界干擾，當A粒子處於0態時，B粒子一定處於1態；反之，當A粒子處於1態時，B粒子一定處於0態。

如果用薛定諤的貓做比喻，即A和B兩隻貓如果形成上面的糾纏態：

那麼無論兩隻貓相距多遠，即便在宇宙的兩端，當A貓是「死」的時候，B貓必然是「活」；當A貓是「活」的時候，B貓一定是「死」。（當然真實的情況是，貓這種宏觀物體不可能把量子糾纏維持這麼長時間，幾億億億億分之一秒內就會解除糾纏。但基本粒子是可以的，比如光子。）

這種跨越空間瞬間影響雙方的量子糾纏，曾經被愛因斯坦稱為「鬼魅的超距作用」(spooky action at a distance)，並以此來質疑量子力學的完備性，因為這個超距作用違反了他提出的「定域性」原理，即任何空間上相互影響的速度都不能超過光速。這就是著名的「EPR佯謬」。

後來物理學家們在愛因斯坦的定域性原理基礎上，提出了「隱變數理論」來解釋這種超距相互作用。不久物理學家貝爾提出了一個不等式，可以來判定量子力學和隱變數理論誰正確。如果實驗結果符合貝爾不等式，則隱變數理論勝出。如果實驗結果違反了貝爾不等式，則量子力學勝出。

貝爾不等式的意義。

但是，隨後的一次又一次實驗，結果都違反了貝爾不等式，證實了量子力學才是對的，愛因斯坦的定域性原理必須被捨棄。2015年，荷蘭物理學家做的最新無漏洞貝爾不等式測量實驗，基本宣告了定域性原理的死刑。

因為這神奇的量子糾纏是非局域的，兩個糾纏的粒子無論相距多遠，測量其中一個粒子的狀態，必然能同時獲得到另一個粒子的狀態，而這個「信息」的獲取又不受光速限制，物理學家自然想到，能否利用這種跨越空間的糾纏態進行信息傳輸？於是，基於量子糾纏態的量子通信應運而生，這種試圖通過跨越空間的量子糾纏來實現對量子比特的傳輸的通信方式，被稱為「量子隱形傳態」。

「墨子號」的實驗證明了什麼？

在此之前，已經有很多實驗證明了量子力學的糾纏態，這些實驗中實現量子糾纏的距離能達到上百千米的級別。但在長距離大範圍條件下進行上千千米量級的量子糾纏態觀測，在空間尺度上通過實驗來檢驗量子力學本身的完備性，還從來沒有被實現過。而這，正是 「墨子號」量子科學實驗衛星肩負的一個重要科學目標。

科學家們在「墨子號」衛星上裝備了量子糾纏光源，這些光源能夠製造出成對糾纏的光子，之後再由發送設備將這些成對的光子被發送向相距約1200千米、分別位於德令哈和麗江的兩個地面站。量子糾纏的測量和驗證實驗就是在這兩個地面站完成的。

實驗的最終結果表明，即使是在千公里級別的距離上，量子力學仍是正確的。

除了量子糾纏分發實驗，「墨子號」還將完成包括高速星地量子密鑰分發和地星量子隱形傳態的其他實驗。在不久的將來，我們將看到更多的實驗成果，我們離全球化量子通信網路的實現更進一步了。

觀看《科學》雜誌為量子糾纏分發實驗製作的視頻：

（翻譯僅供參考，以視頻原文為準）

（琪之妙/譯）一項在衛星上進行的量子糾纏實驗驗證，量子糾纏態的距離可以達到1200公里，打破了原有的世界紀錄。

量子糾纏展示出了物理學最奇怪的一面。像光子這樣的亞原子粒子可以通過共享量子狀態，如自旋和極性，來實現糾纏。即使兩個光子間相距甚遠，也會以疊加態的形式一直共享狀態，直到其中一個物體被測量或擾動。之後，兩個光子的量子狀態會瞬間塌縮為一個固定值，並且兩個光子之間不會有信息交換。

通過光纖，科學家們成功的展示了在地球上跨越幾百公里的量子糾纏。但若超過這個距離，光子的量子狀態會被環境所干擾。

但是由於太空中近乎真空，光子在太空中能順利的傳播更遠的距離。這就是我們為什麼需要「墨子號」，首個太空量子研究平台。

在「墨子號」中，一束紫外光穿過特殊晶體，以每秒590萬對的速度不斷產生極性相反的糾纏光子，並發射到地球。

中國的兩個相距1200公里的地面基站接收到這些光子。科學家們測量收到的光子的狀態發現，光子間的相關性遠超過隨機概率可能產生的相關性。證據顯示，跨越如此遠的距離，光子依然保留了糾纏態。儘管這種糾纏光子的傳輸方式已經大大超越地面試驗傳輸的效率。但仍然只有600萬分之1 的光子成功傳送回了地面基站。

下一步，研究者們計劃給地面基站分發量子密鑰，量子密鑰包含長串的糾纏光子。使用這樣的糾纏密鑰，在兩個不同地點的人可以進行保密通信，並且一旦有人試圖竊聽，會被立刻發現。

研究者們計劃通過增加衛星和地面基站數量的方式，來擴大新生的量子網路的範圍，這將會是建立一個基於太空、覆蓋全球的量子互聯網的重要一步。

註：「墨子號」的量子密鑰分發用的是更實用的單光子BB84協議，不需要糾纏。當然後面也會嘗試利用糾纏建立密鑰的方案。

編輯：婉珺

排版：小米

題圖來源：123RF

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本文來自果殼網

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