在國際空間站進行遠程「量子糾纏」實驗

量子糾纏是在微觀世界發生的最為奇特的物理現象，阿爾伯特·愛因斯坦曾在描述量子糾纏的性質時發表了「幽靈般超距作用」的著名言論。直到現在，物理學家對奇特的量子糾纏實驗局限在地球之內距離相對小的範圍。有必要在更大距離的範圍檢驗粒子的糾纏現象，相互糾纏的一個粒子的行為以「超距作用」影響另一個粒子的行為。物理學家設想了一種實驗方案，以國際空間站為實驗平台，在更大的距離上檢驗粒子糾纏態的屬性，國際空間站原本是一個太空實驗室，空間站距離地面大約為250英里、或400公里。

奧地利科學院的物理學家魯伯特·烏爾辛對量子糾纏的太空實驗進行了說明，「按照量子物理學的基本分析，量子糾纏獨立於距離、或與糾纏的作用距離無關」，「我們提出的太空實驗將顯示，粒子在大的距離上、或超過了500公里時是否保持量子糾纏的特性，在國際空間站開展的實驗是歷史上的首次」。烏爾辛和他的同事將實驗的細節以論文的形式發表在近期的《新物理學》雜誌，英國物理學研究所和德國物理學學會聯合出版這份物理刊物。對量子糾纏的一種檢測被物理學家稱為「貝爾實驗」，已故的北愛爾蘭物理學家約翰·貝爾在1960年代提出了實驗的設想，實驗的目次是在現實世界的基礎上檢驗糾纏理論的正確性。糾纏現象屬於量子力學中最為獨特的性質，產生糾纏的兩個粒子一旦分開，它們以某種神秘的方式進行信息的「瞬時」交流，愛因斯坦深信德國古典哲學對因果律的描述，他幾乎難以接接受量子「幽靈般的超距作用」。

為了更好地檢驗量子糾纏的發生機制，烏爾辛領銜的研究小組計劃將一個小型的光子探測器發送到國際太空站，將它安裝在一個現存的、電動尼康牌照相機的邊上，尼康照相機有400毫米的鏡頭，從空間站全景式的小「天窗」來觀察地面情況。一旦小型的光子探測器安裝到位，物理學家將以地面的一對光子進行糾纏操控，然後，將其中的一個光子從地面站送上軌道實驗室，在太空的小型探測倉測量光子的特性，另一個光子則留在地面，太空和地面的兩個光子是否保持它們的糾纏狀態？即：當一個光子的特性發生變化時，另一個光子的特性是否瞬時發生變化？大距離的「空地實驗」將能夠檢驗量子糾纏的特性和問題。

烏爾辛團隊的實驗能夠檢驗重力對量子糾纏的潛在影響。項目實驗進行得較快，在空間站的地面實驗室進行了幾個步驟的實驗，每一個步驟僅用了70秒的時間。國際空間站的管理機構批准了烏爾辛小組的實驗項目，團隊成員計划了一周時間的空間實驗，他們有充足的時間來建立地面實驗與空間實驗的聯繫。糾纏的光子對在遠距離的情形下如果發生瞬時的信息交換，那麼這無疑顛覆了經典物理學的概念，量子物理的奇異性造成了愛因斯坦難以理解的「心神不安」。

科學小組提出了另一項新奇而適用的相關性實驗，他們要嘗試發送一個「加密鎖」，在大距離上實現量子信息傳輸的加密功能，在國際太空站進行的實驗之前，量子加密鎖、或加密鑰匙技術僅在地面實驗室的光纖材料中進行過檢驗，而實驗的距離、或光纖材料的長度較短。量子加密技術在經濟社會中有廣泛的用途。烏爾辛科學小組「幽靈行動」的實驗方案一旦獲得成功，這將導致科學家和工程師開發出第一個全球量子通訊網路。

量子加密鑰匙信息目前發送的最遠距離僅有幾百公里，只能實現一個、或兩個城市之間的加密通訊。研究人員設想，以光子束來生成和傳播「加密鑰匙」。加密信息只在兩個主體——發送者和接收者之間傳送和分享，如果「第三方」試圖攔截加密的信息，那麼信息的發送和接收者很容易發現「第三方」的行為。全世界的量子科學團隊都在考慮量子衛星的發射，量子衛星可以用於將兩個信息主體相連接的「中轉站」，量子衛星通訊能夠顯著地增加兩個信息主體的距離，實現加密鑰匙技術的遠程應用。新的研究表明，通過國際空間站也許能夠實現「量子衛星」的中轉功能，烏爾辛科學小組即將開展的量子糾纏太空實驗變得更為重要。

（編譯：2013-4-26）

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