我国在国际上率先实现千公里级星地双向量子纠缠分发—— 跨越千里的“心手

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▲“量子科学实验卫星”示意图。(数据图片)

？“量子科学实验卫星”模型。(数据图片)

这是一个跨越数千英里的“纠缠”。一方来自青海德令哈站，另一方远离云南丽江站。尽管相隔千里，这对素未谋面的“陌生人”上演了一出震撼世界的“心连心”剧

作为见证人，中国量子科学实验卫星首席科学家、中国科技大学副校长潘建伟院士6月16日宣布，中国率先实现了卫星与地面之间的“千公里”双向量子纠缠分布，并首次在台空.严格验证了量子力学的非局域性

“这是一项伟大的成就。他们很早就有了这个大胆而先进的想法，并最终实现了它。”加拿大滑铁卢大学的物理学家Yanne Wein评论道。

幽灵般的距离动作

量子纠缠建立的量子信道是不可破译的，将成为未来安全通信的“终极武器”

处于特殊状态(纠缠态)的粒子，无论相距多远，当其中一个粒子被操作或测量时，远处的其他粒子也会相应地瞬间改变

这种神秘的联系就像“心灵感应”一样，是“量子纠缠”的神奇现象，也被称为量子力学的非局域性。简而言之，量子纠缠是由两个(或更多)粒子组成的量子态。什么是量子？它是物质最基本的单位，也是能量的基本载体。众所周知的微观粒子如分子、原子、电子和光子都是它的表现形式之一。

根据我们以前的理解，猫不是生就是死，不能同时“生与死”。根据潘剑伟的解释，在量子世界中，当一只猫不与我们互动时，它可以同时处于“生”和“死”的叠加状态。这时，我们将测量两只彼此分开的猫。当其中一只决心要活下去时，另一只就会活下去，否则它就会死去，即使两只猫相距很远。

爱因斯坦对这种“远距离的鬼魅行为”深表怀疑。"一个粒子的测量对另一个粒子没有影响."他坚持。以玻尔为代表的哥本哈根学派对此表示反对。他们认为测量一个粒子会立即改变另一个粒子的状态。

什么是对和错？在过去的半个世纪里，物理学家们一直在无休止地争论这个话题。因为，一旦量子的这一奇妙特性得到验证，将会有一个最直接的应用——由量子纠缠建立的量子信道是不可破译的，它将成为未来安全通信的“终极武器”。

20世纪70年代，法国物理学家斯佩克特的三个实验给出了量子非局域性的明确结论。然而，这些初步的实验已经证明存在各种漏洞。量子纠缠“幽灵般的距离效应”在更远的距离还存在吗？它会受到重力等其他因素的影响吗？这些基本物理问题的验证取决于数千公里或更远的量子纠缠分布。

如何将两个纠缠的粒子送到相距很远的两点？中国科学院上海技术物理研究所研究员、量子科学实验卫星项目常务副总工程师、卫星系统总指挥王建宇介绍说，墨子卫星过境时，与青海德令哈站和云南丽江高美古站建立了光链路。卫星上的纠缠源负载每秒钟产生800万个纠缠光子对，光链路以每秒1对的速度在地面上1200多公里的两个站之间建立量子纠缠。

“高精度实验技术确保两地之间独立测量的时间间隔足够小。结果，量子力学的正确性在数千公里的距离上得到验证，置信度为99.9%，实现了严格满足“爱因斯坦局域条件”的量子力学。非局部测试。”潘剑伟说道。

这是什么意思？总之，量子纠缠效应仍然有效，即使它在数千英里之外。

再次加快实践过程

13公里、16公里和100公里，“咬着青山不放松”，他们不断扩大量子纠缠分布的距离，努力奔向新的目标

当然，除了验证量子力学中非局域性的存在，这种量子纠缠已经成功跨越了数千英里，更重要的意义在于推动量子通信的实际进程。

“由量子纠缠建立的量子通道是构建量子信息处理网络的基本单元。构建广域量子网络的第一步是实现长距离量子纠缠分布。”潘剑伟解释道。

理想是满的，现实是瘦的。由于量子纠缠非常脆弱，在长距离光纤传输中，首先，损耗太大，其次，与环境的耦合会大大降低纠缠质量；在近地面传输过程中，还会受到地面障碍物、表面曲率等的影响。由于各种因素的影响，国内外地面实验中量子纠缠的分布距离一直在100公里左右。

如何有效延长量子纠缠分布的距离？理论上有两种方法。一种是使用量子中继，但由于量子存储寿命和读出效率的严格限制，不能应用于远程量子纠缠分布。另一种是通过卫星将它传送到地面。

“与光纤相比，卫星之间的自由空之间的信道损耗很小。在卫星的帮助下，量子纠缠分布可以在全球范围内远距离实现。”2003年，潘建伟的团队提出了一个通过卫星实现长距离量子纠缠分布的方案。13公里、16公里和100公里，“咬着青山不放松”，他们不断扩大量子纠缠分布的距离，努力奔向新的目标。2016年8月16日，墨子成功上市。卫星的科学任务之一是卫星-地面的双向量子纠缠分布。

“这是世界上第一次实现几千公里量级的量子纠缠。”根据潘建伟的计算，在实验中，量子纠缠的传输衰减仅为相同长度的地面光纤最低损耗的1/2。即使选择超低损耗光纤，也需要3万年才能将一对光子分布到几千公里以外。“这完全失去了沟通的意义。”潘剑伟说道。

努力朝着最终目标前进

未来，将在地球和月球的拉格朗日点放置一个光源，并将量子纠缠分配给人造宇宙飞船和月球，并将继续努力实现“30万公里”的最终目标

跨越量子纠缠分布距离从一百英里到一千英里有多难？王建宇打了个比方:如果我们把光量子看做1元硬币，那么卫星-地面量子的分配就相当于从一架飞行在10000米高空的空.飞机上，不断地把数亿枚硬币投入一个连续旋转的存钱罐的狭槽中

这种恒星和地球之间“针尖对芒”的长距离量子纠缠分布需要极高的精度。“光子是光的最小单位。要探测每一个光子，就像在地球上一样，你必须在月球上看到一根点燃的火柴。”王建宇这样描述它。

这既是挑战也是机遇——

“这是一项重大的技术突破，既有潜在的实际应用，又有基础科学研究的重要性。”《科学》杂志的几位评论员断言，“毫无疑问，这将对学术界和公众产生巨大影响。”

美国波士顿大学的量子技术专家Sergienko评论说:这是一个英雄史诗般的实验，中国研究人员的技能、坚持和奉献精神应该得到高度赞扬和认可。

潘建伟并没有刻意回避，他说:“这是量子卫星上天以来最大的成就”，这将为开展大规模量子网络和量子通信的实验研究，为开展空广义相对论和量子引力等基本物理原理的实验测试奠定可靠的技术基础。

利用开发的量子纠缠分布技术，研究小组正在进行实验，以创造出实现天地之间信息传输的钥匙。“目前，量子通信的主要挑战之一是如何在白天有大量光量子的情况下分辨和接收量子卫星的信号，实现量子通信。”根据潘建伟的设想，未来他们将在地球和月球的拉格朗日点放置一个光源，将量子纠缠分配给人造宇宙飞船和月球，并继续朝着“30万公里”的最终目标努力。

前景隐约明朗，步伐正在逐渐加快。“这颗‘墨子’卫星的其他重要科学实验任务，包括高速卫星量子密钥分配和地球恒星量子隐形传态，也进展顺利。预计今年将陆续公布更多的科学成果。”潘建伟说，量子通信技术已经有了许多突破。随着中国科学技术的快速发展，量子通信有望在“十三五”期间实现初步应用，但绝对安全量子通信的大规模应用可能需要10年甚至更长时间。

根据计划，中国将在未来陆续发射几颗量子卫星，力争在2030年前后建成世界上第一个实用的天地一体的广域量子通信网络。(经济日报中国经济网记者申会)

(编者:梁