1203公里的糾纏

6月16日，一雙紅色的「筷子」出現在美國《科學》雜誌的封面上。正是這雙「筷子」，將量子糾纏分發的世界紀錄提高了一個數量級。

近日，由中科院院士、中國科學技術大學教授潘建偉及其同事彭承志等組成的研究團隊，聯合中科院上海技術物理研究所王建宇研究組、微小衛星創新研究院、光電技術研究所、國家天文台、紫金山天文台、國家空間科學中心等，在中科院空間科學戰略性先導科技專項的支持下，利用「墨子號」量子科學實驗衛星在國際上率先成功實現了千公里級的星地雙向量子糾纏分發。

鬼魅般的「心靈感應」

量子糾纏，是指兩個或多個粒子共同組成的一種量子狀態。理論上，無論這些粒子之間相隔多遠，只要一個粒子發生變化，另外的粒子也會即刻「感知」並隨之發生變化。這被稱為量子力學的非定域性。

量子糾纏所體現的非定域性是量子力學最神奇的現象之一。愛因斯坦將這種現象比喻成「鬼魅般的超距作用」。

不僅是愛因斯坦，全球相關領域的科學家都為之著迷不已。因為如果能把製備好的兩個糾纏粒子分別發送到相距很遠的兩個點，通過觀察兩個點的統計測量結果，就可以驗證量子力學非定域性的存在。更重要的是，通過量子糾纏所建立起來的量子信道不可破譯，將是未來保密通信的「終極武器」。

但是，量子糾纏也非常脆弱，用傳統的方法進行分發，會隨著光子在光纖內或者地表大氣中的傳輸距離而衰減。潘建偉粗略地測算過，使用光纖進行量子分發，傳輸百公里距離，損耗已達99%；傳輸上千公里的距離，每送1個光子大約需要3萬年，「這就完全喪失了通信的意義」。

因此，目前量子糾纏分發實驗一直停留在百公里的距離。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？科學家的好奇心，讓潘建偉萌發了一個大膽的想法。

「讓潘建偉瘋狂一下吧」

理論上，有兩種途徑可以擴展量子糾纏分發的距離。一種是量子中繼，也就是用「接力跑」的方式進行信息傳輸。然而，潘建偉坦言，他的團隊研究這個方向已經十幾年了，但受到量子存儲壽命和讀出效率等因素的嚴重製約，量子中繼一直無法實際應用於遠程量子糾纏分發。

「另一種辦法就是利用衛星，光子在真空中可以無障礙傳輸，進入大氣層後，也只有10公里左右的距離，整個信道的損耗小，用這個辦法進行量子通信，比在空氣、光纖中都可行。」潘建偉說，「結合衛星的幫助，有望在全球尺度上實現超遠距離的量子糾纏分發。」

2003年，潘建偉向中科院提出了利用衛星實現遠距離量子糾纏分發的方案。這個聞所未聞的想法在中科院內並不是沒有質疑的聲音，但當時的中科院領導經過思索，還是咬牙批了下來，給了潘建偉團隊100多萬元，決定給科學家一個機會，讓他們「瘋狂一下」。

2005年，13公里；2010年，16公里……潘建偉團隊將自由空間雙向量子糾纏分發的距離一點點拉長。直到2011年年底，他們迎來了一個關鍵的轉折點——中科院空間科學先導專項將「量子科學實驗衛星」正式立項。

中科院上海技物所研究員、量子科學實驗衛星工程常務副總師兼衛星系統總指揮王建宇也在這時與潘建偉團隊結下了不解之緣。做工程出身的他，最初也被潘建偉的想法「嚇了一跳」。但科學和工程團隊精誠合作，克服了種種困難，最終研製成功了「墨子號」量子科學實驗衛星。

衛星於2016年8月16日在酒泉衛星發射中心發射升空。星地量子糾纏分發作為衛星的三大科學實驗任務之一，是國際上首次在空間尺度上開展的量子糾纏分發實驗。「我們在『墨子號』研製過程中建立起來的協同創新機制，為將來我國開展大規模的科學探索提供了很好的經驗。」潘建偉說。

量子「紅娘」情牽千里

青海德令哈與雲南麗江兩個地面站相隔1203公里。「墨子號」量子科學實驗衛星過境時，同時與兩個地面站建立起光鏈路，並以每秒鐘一對的速度給兩個地面站分發糾纏光子並建立量子糾纏。

「這種方式進行量子糾纏的傳輸衰減僅為同樣長度最低損耗地面光纖的一萬億分之一。」王建宇說，「但它對衛星的精度要求極高，就像從萬米高空的飛機上扔下一串硬幣，在地上用一個存錢罐接住。」

但中國的量子衛星團隊做到了。「墨子號」在國際上率先實現千公里級的量子糾纏分發，並在此基礎上首次實現空間尺度嚴格滿足「愛因斯坦定域性條件」的量子力學非定域性檢驗。潘建偉認為，這一成果為未來開展大尺度量子網路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了可靠的技術基礎。

成果發表後，《科學》雜誌幾位審稿人稱讚，該成果是「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」，並斷言「絕對毫無疑問將在學術界和廣大的社會公眾中產生非常巨大的影響」。

14年的持續攻關，讓中國科大研究員、量子科學實驗衛星科學應用系統總師、衛星系統副總師彭承志從一個青澀的博士生成長為團隊核心成員，也讓他生出了一頭白髮。不過，他說，能在這個大的團隊里工作，「感覺自己挺牛的」，因為他們做的事不但在科學上是有意義的，在國際上也是領先的。未來，他還希望這些成果能走向實用，對國家也能有用。「為了這個目標，再來14年，我也願意。」

彭承志的心愿不會落空。今天的成果只是「墨子號」的第一個「大招」。「墨子號」其他重要的科學實驗任務，如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布。潘建偉還透露，目前國際同行紛紛表達了合作需求，北京與維也納之間的第一次洲際量子秘鑰分發有望在下月中旬開展。

屆時，太空中的這位中國量子「紅娘」還將牽出多少美妙的姻緣，我們不妨拭目以待。

中國科學報 2017-6-19頭版記者 丁佳http://news.sciencenet.cn/dz/dznews_photo.aspx?id=28012

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