這是一場跨越千里的“糾纏”,，一方來自青海德令哈站,，另一方遠在云南麗江站。盡管相距千里之遙,，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(xué)實驗衛(wèi)星首席科學(xué)家,、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)副校長潘建偉院士6月16日對外宣布：中國率先實現(xiàn)了“千公里級”的星地雙向量子糾纏分發(fā)，首次在太空中較為嚴格地驗證了量子力學(xué)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，并最終實現(xiàn)了,?！奔幽么蠡F盧大學(xué)物理學(xué)家延內(nèi)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(tài)(糾纏態(tài))的粒子,，無論相隔多遠，當(dāng)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(fā)生相應(yīng)的改變,。”

這種“心靈感應(yīng)”似的神秘關(guān)聯(lián),，便是神奇的“量子糾纏”現(xiàn)象,，也稱量子力學(xué)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(tài),。何謂量子？它是構(gòu)成物質(zhì)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(xiàn)形態(tài)之一,。

按我們以往的認識,，一只貓非生即死,，不能同時“又生又死”。根據(jù)潘建偉的解釋,，在量子世界中,，當(dāng)貓和我們沒有相互作用的時候，它可以處于“生”和“死”同時疊加的狀態(tài),，此時,，我們再去測量兩只分處異地的貓，當(dāng)確定其中一只為生時另外一只也為生,，反之則為死,，哪怕這兩只貓相隔甚遠。

對于這種“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(chǎn)生影響,?！彼麍苑Q。以玻爾為代表的哥本哈根學(xué)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(tài)。

究竟孰是孰非,？過去的大半個世紀里,，物理學(xué)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(yīng)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(xué)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(jié)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于上千公里甚至更遠距離的量子糾纏分發(fā),。

如何把制備好的兩個糾纏粒子分別發(fā)送到相距很遠的兩個點？中科院上海技術(shù)物理研究所研究員,、量子科學(xué)實驗衛(wèi)星工程常務(wù)副總師,、衛(wèi)星系統(tǒng)總指揮王建宇介紹，“墨子號”衛(wèi)星過境時，同時與青海德令哈站和云南麗江高美古站兩個地面站建立光鏈路,，衛(wèi)星上的糾纏源載荷每秒產(chǎn)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(shù)保證了兩地的獨立測量時間間隔足夠小,，結(jié)果以99.9%的置信度在千公里距離上驗證了量子力學(xué)的正確性,，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?！迸私▊シQ,。

這意味著什么？一句話,，即便相距千里之遙,，量子糾纏效應(yīng)依然有效。

實用化進程再提速

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

當(dāng)然，除了驗證量子力學(xué)非定域性的存在,，此番量子糾纏成功跨越千里,，更重要的意義在于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(gòu)建量子信息處理網(wǎng)絡(luò)的基本單元，而要構(gòu)建廣域的量子網(wǎng)絡(luò),，第一步就是要實現(xiàn)遠距離的量子糾纏分發(fā),。”潘建偉解釋,。

理想很豐滿,，現(xiàn)實很骨感。由于量子糾纏非常脆弱,，其在遠距離光纖傳輸中,，一來損耗過大，二來與環(huán)境的耦合會使糾纏品質(zhì)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(nèi)外地面實驗的量子糾纏分發(fā)距離一直停留在百公里量級。

如何有效擴展量子糾纏分發(fā)的距離,？理論上有兩種途徑,。一種是利用量子中繼,，但目前由于受到量子存儲壽命和讀出效率等因素的嚴重制約，無法實際應(yīng)用于遠程量子糾纏分發(fā),。另一種則是利用衛(wèi)星向地面分發(fā),。

“相比光纖，星地間的自由空間信道損耗小,，結(jié)合衛(wèi)星的幫助,，可以在全球尺度上實現(xiàn)超遠距離的量子糾纏分發(fā)?！?003年,，潘建偉團隊提出利用衛(wèi)星實現(xiàn)遠距離量子糾纏分發(fā)的方案。13公里,、16公里,、百公里，“咬住青山不放松”,，他們不斷擴展量子糾纏分發(fā)的距離,，并向新目標努力奔跑。2016年8月16日,，“墨子號”成功發(fā)射,，衛(wèi)星的科學(xué)任務(wù)之一即是雙向星地量子糾纏分發(fā)。

“這是世界上第一次實現(xiàn)千公里量級的量子糾纏,?！备鶕?jù)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(fā)到千公里以外也得需要3萬年的時間,?！斑@就完全喪失了通信的意義?！迸私▊フf,。

向著終極目標努力奔跑

今后或?qū)⒃诘卦吕窭嗜拯c放上光源，向人造飛船和月球分發(fā)量子糾纏,，朝著“30萬公里”的終極目標繼續(xù)努力

從百里到千里,，量子糾纏分發(fā)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(fā)就相當(dāng)于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(xù)旋轉(zhuǎn)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(fā)對精度要求極高,?！肮庾邮枪饫镒钚〉膯挝唬綔y到每個光子,，就像在地球上,，要看到月球上劃亮的一根火柴?！蓖踅ㄓ钸@樣形容,。

是挑戰(zhàn)也是機遇——

“這是兼具潛在實際現(xiàn)實應(yīng)用和基礎(chǔ)科學(xué)研究重要性的重大技術(shù)突破?！薄犊茖W(xué)》雜志幾位審稿人斷言,，“毫無疑問，這將在學(xué)術(shù)界和廣大社會公眾中產(chǎn)生非常巨大的影響”,。

美國波士頓大學(xué)量子技術(shù)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(xué)的奉獻應(yīng)該得到最高的贊美與承認,。

贊譽紛至沓來,，潘建偉沒有刻意回避，他稱“這是量子衛(wèi)星上天以來,，迄今為止發(fā)布的最大成果”,，未來將為開展大尺度量子網(wǎng)絡(luò)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(xué)基本原理的實驗檢驗奠定可靠的技術(shù)基礎(chǔ),。

運用所發(fā)展的量子糾纏分發(fā)技術(shù)，研究團隊正在開展實驗創(chuàng)建密鑰,，以實現(xiàn)天地間的信息傳輸,?！澳壳?，量子通信的一個主要挑戰(zhàn)是：如何在白天有大量光量子的情況下，分辨并接收到量子衛(wèi)星的信號,，以實現(xiàn)量子通信,。”根據(jù)潘建偉的設(shè)想,，他們今后或?qū)⒃诘卦吕窭嗜拯c放上光源,，向人造飛船和月球分發(fā)量子糾纏，朝著“30萬公里”的終極目標繼續(xù)努力,。

前景依稀明朗,，腳步漸漸加速。“‘墨子號’衛(wèi)星的其他重要科學(xué)實驗任務(wù),，包括高速星地量子密鑰分發(fā),、地星量子隱形傳態(tài)等，也在緊張順利地進行中,，預(yù)計今年會有更多科學(xué)成果陸續(xù)發(fā)布,。”潘建偉表示,，目前量子通信技術(shù)已有很多突破,，隨著中國科技的迅猛發(fā)展，量子通信有望在“十三五”時期實現(xiàn)初步應(yīng)用,，但絕對安全的量子通信規(guī)?；瘧?yīng)用可能還得需要10多年甚至更長時間。

按照計劃,，今后我國還將陸續(xù)發(fā)射多顆量子衛(wèi)星,，力爭在2030年前后率先建成全球首個天地一體化的實用性廣域量子通信網(wǎng)絡(luò)。