這是一場(chǎng)跨越千里的“糾纏”,，一方來自青海德令哈站,，另一方遠(yuǎn)在云南麗江站,。盡管相距千里之遙,，這對(duì)從未謀面的“陌生人”——粒子，卻上演了一場(chǎng)舉世震驚的“心心相印”大戲——

作為見證者,，中國量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星首席科學(xué)家,、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)副校長(zhǎng)潘建偉院士6月16日對(duì)外宣布：中國率先實(shí)現(xiàn)了“千公里級(jí)”的星地雙向量子糾纏分發(fā)，首次在太空中較為嚴(yán)格地驗(yàn)證了量子力學(xué)非定域性,。

“這是一個(gè)巨大的成就,，他們很早就有了這個(gè)大膽超前的想法，并最終實(shí)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(píng)價(jià),。

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(yuǎn),，當(dāng)對(duì)其中一個(gè)粒子進(jìn)行操作或測(cè)量,，身處遠(yuǎn)方的其他粒子會(huì)瞬時(shí)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(jiǎn)單來說,，量子糾纏即兩個(gè)(或多個(gè))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(rèn)識(shí),，一只貓非生即死，不能同時(shí)“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(shí)候,，它可以處于“生”和“死”同時(shí)疊加的狀態(tài),，此時(shí)，我們?cè)偃y(cè)量?jī)芍环痔幃惖氐呢?，?dāng)確定其中一只為生時(shí)另外一只也為生,，反之則為死，哪怕這兩只貓相隔甚遠(yuǎn),。

對(duì)于這種“鬼魅般的超距作用”,，愛因斯坦深表懷疑?！皩?duì)一個(gè)粒子的測(cè)量不會(huì)對(duì)另一個(gè)粒子產(chǎn)生影響,。”他堅(jiān)稱,。以玻爾為代表的哥本哈根學(xué)派則持反對(duì)意見,，他們認(rèn)為，對(duì)一個(gè)粒子的測(cè)量會(huì)瞬間改變另一個(gè)粒子的狀態(tài),。

究竟孰是孰非,？過去的大半個(gè)世紀(jì)里，物理學(xué)家們圍繞這一話題爭(zhēng)論不休,。因?yàn)?，量子的這一奇妙特性一旦得到驗(yàn)證,，將有一個(gè)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(jì)70年代,，法國物理學(xué)家阿斯派克特的3個(gè)實(shí)驗(yàn)曾給出了量子非定域性的明確結(jié)論。但是,，最初的這些實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證存在種種漏洞,。量子糾纏“鬼魅般的超距作用”在更遠(yuǎn)的距離上是否仍然存在？會(huì)不會(huì)受到引力等其他因素的影響,？這些基本物理問題的驗(yàn)證有賴于上千公里甚至更遠(yuǎn)距離的量子糾纏分發(fā),。

如何把制備好的兩個(gè)糾纏粒子分別發(fā)送到相距很遠(yuǎn)的兩個(gè)點(diǎn)？中科院上海技術(shù)物理研究所研究員,、量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)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(hào)”衛(wèi)星過境時(shí),，同時(shí)與青海德令哈站和云南麗江高美古站兩個(gè)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(gè)糾纏光子對(duì)，光鏈路以每秒1對(duì)的速度在地面超過1200公里的兩個(gè)站之間建立量子糾纏,。

“高精度的實(shí)驗(yàn)技術(shù)保證了兩地的獨(dú)立測(cè)量時(shí)間間隔足夠小,，結(jié)果以99.9%的置信度在千公里距離上驗(yàn)證了量子力學(xué)的正確性，實(shí)現(xiàn)了嚴(yán)格滿足‘愛因斯坦定域性條件’的量子力學(xué)非定域性檢驗(yàn),?！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(shí)用化進(jìn)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(kuò)展量子糾纏分發(fā)的距離，并向新目標(biāo)努力奔跑

當(dāng)然,，除了驗(yàn)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(shí)用化進(jìn)程又向前推進(jìn)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(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的量子糾纏分發(fā),。”潘建偉解釋,。

理想很豐滿,，現(xiàn)實(shí)很骨感。由于量子糾纏非常脆弱,，其在遠(yuǎn)距離光纖傳輸中,，一來損耗過大，二來與環(huán)境的耦合會(huì)使糾纏品質(zhì)大大下降,；在近地傳輸過程中,，還會(huì)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(shí)驗(yàn)的量子糾纏分發(fā)距離一直停留在百公里量級(jí)。

如何有效擴(kuò)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(chǔ)壽命和讀出效率等因素的嚴(yán)重制約,，無法實(shí)際應(yīng)用于遠(yuǎn)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(shí)現(xiàn)超遠(yuǎn)距離的量子糾纏分發(fā),?！?003年，潘建偉團(tuán)隊(duì)提出利用衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)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(kuò)展量子糾纏分發(fā)的距離，并向新目標(biāo)努力奔跑,。2016年8月16日,，“墨子號(hào)”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(shí)現(xiàn)千公里量級(jí)的量子糾纏,。”根據(jù)潘建偉的測(cè)算,，實(shí)驗(yàn)中,，量子糾纏的傳輸衰減僅僅是同樣長(zhǎng)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(duì)光子分發(fā)到千公里以外也得需要3萬年的時(shí)間,?！斑@就完全喪失了通信的意義?！迸私▊フf,。

向著終極目標(biāo)努力奔跑

今后或?qū)⒃诘卦吕窭嗜拯c(diǎn)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(biāo)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(gè)比方：如果把光量子看成一個(gè)個(gè)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(jī)上，不斷把上億個(gè)硬幣準(zhǔn)確投入持續(xù)旋轉(zhuǎn)的儲(chǔ)蓄罐狹小的投幣口中,。

這種星地間“針尖對(duì)麥芒”的遠(yuǎn)距離量子糾纏分發(fā)對(duì)精度要求極高,。“光子是光里最小的單位,，要探測(cè)到每個(gè)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(jī)遇——

“這是兼具潛在實(shí)際現(xiàn)實(shí)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(huì)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(píng)價(jià)：這是一個(gè)英雄史詩般的實(shí)驗(yàn)，中國研究人員的技巧,、堅(jiān)持和對(duì)科學(xué)的奉獻(xiàn)應(yīng)該得到最高的贊美與承認(rèn),。

贊譽(yù)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(shí)驗(yàn)研究,，以及開展外太空廣義相對(duì)論,、量子引力等物理學(xué)基本原理的實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)奠定可靠的技術(shù)基礎(chǔ)。

運(yùn)用所發(fā)展的量子糾纏分發(fā)技術(shù),，研究團(tuán)隊(duì)正在開展實(shí)驗(yàn)創(chuàng)建密鑰,，以實(shí)現(xiàn)天地間的信息傳輸,。“目前,，量子通信的一個(gè)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(hào)，以實(shí)現(xiàn)量子通信,?！备鶕?jù)潘建偉的設(shè)想,，他們今后或?qū)⒃诘卦吕窭嗜拯c(diǎn)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(biāo)繼續(xù)努力,。

前景依稀明朗,，腳步漸漸加速?！啊犹?hào)’衛(wèi)星的其他重要科學(xué)實(shí)驗(yàn)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(jìn)行中,，預(yù)計(jì)今年會(huì)有更多科學(xué)成果陸續(xù)發(fā)布?！迸私▊ケ硎?，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(shí)期實(shí)現(xiàn)初步應(yīng)用,，但絕對(duì)安全的量子通信規(guī)模化應(yīng)用可能還得需要10多年甚至更長(zhǎng)時(shí)間,。

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