衛星上天，量子「落地」：中國終於領先太空量子實驗

中國科學技術大學團隊千公里級別的量子糾纏分發實驗登上《科學》雜誌封面。Credit：Science

撰文 | 林 梅

責編 | 陳曉雪

黑夜降臨。一串串的糾纏光子對，以每秒800萬個的發射速率，從距離地面600-1400公里的衛星出發，奔向兩個地面天文觀測站。這些糾纏光子中，有的在大氣中衰減，有的在長途跋涉中擴散，極少數的幸運兒經歷重重磨難抵達地球上相距1200公里的兩個點上望遠鏡的入口，其中只有一部分能被成功測量，最終每秒成功分發一對糾纏光子對。

這是人類第一次嘗試在千公里級別的量子糾纏分發實驗驗證量子力學的正確性。

而且成功了。研究顯示，實驗結果在4倍標準差下違背了貝爾不等式，驗證了量子糾纏在千公里距離依然存在。

「我們首次完成了千公里量級的的量子糾纏分發，這比使用目前最好的光纖效率要高萬億倍」，中國科學技術大學教授潘建偉介紹說，「我們完成了一件使用傳統的方法絕對不可能實現的事。」

「中國的這一實驗是一個相當非凡的技術成就。」在英國BBC的報道中，牛津大學量子物理教授Artur Eker評價說。

2017年6月16日，《科學》（Science）雜誌封面報道了這一結果。

這一突破，是潘建偉團隊籌划了十多年的「墨子號」量子衛星取得的第一個實驗成果。

量子糾纏

自20世紀初量子力學建立以來，關於糾纏現象的物理本質就一直困惑著所有量子科學家。人們一直不理解，相距遙遠的兩個粒子是如何具有糾纏的特性。

以愛因斯坦為代表的一些科學家主張「定域實在性」，他們認為，量子力學是不完備的，測量結果一定受到了某種「隱變數」的預先決定。為了檢驗量子現象究竟是由「隱變數」事先決定，還是在測量時才坍縮成最終的結果並通過「超距作用」即時傳播，1964年，愛爾蘭物理學家貝爾提出了著名的「貝爾不等式」，該定理在定域實在性的假設下，對於兩個分隔的粒子同時被測量時其結果的可能關聯程度建立了一個嚴格的限制，如果實驗上貝爾不等式不成立，則意味著定域實在論不成立。

一直以來，人們設計了各種實驗方案驗證貝爾不等式正確與否，如果人們能在更遠的距離驗證量子糾纏的存在，即意味著在更大的空間尺度上驗證量子力學的正確性。

量子糾纏分發就是一種驗證貝爾不等式的實驗前提。它是把製備好的兩個糾纏粒子（通常為光子）分別發送到相距很遠的兩個點，通過觀察兩個點的測量結果是否符合貝爾不等式來檢驗量子糾纏的存在。由於光子在光纖和大氣傳輸中急劇衰減，所以在地球表面，百公里級別的量子糾纏分發幾乎已經是極限，而利用衛星實現的量子糾纏分發可謂實現距離擴展的最佳方案，外太空的真空環境對光的傳輸來說幾乎不存在衰減和退相干效應，星地間的自由空間信道損耗小，甚至理論上，利用衛星，科學家們可以在地球上的任意兩點之間建立起量子信道，有可能在全球尺度上實現超遠距離的量子糾纏分發。

十餘年技術準備

潘建偉最早產生利用量子衛星實現遠距離量子糾纏分發進而開展實驗檢驗貝爾不等式等工作，是在2003年——距離他從奧地利的維也納大學獲得實驗物理博士學位只有4年，回到合肥建立自己的實驗室1-2年。

「很多人認為這個想法太瘋狂了，因為當時在一個設備完美的實驗室做這些複雜的量子光學實驗就已經非常有挑戰性了。所以，要在幾千公里的距離做相似的實驗，衛星相對地面的飛行速度還是每秒8公里，怎麼可能做到？！」潘建偉回憶道。

「完成這一實驗的難度，相當於在300米以外清楚地看到一個人的一根頭髮，或者是從地球檢測到來自月球的一根火柴點燃發出的光子。」潘建偉進一步解釋說。

為了證明星地糾纏分發是可能的，潘建偉和同事彭承志開始在合肥的大蜀山著手實驗，看糾纏光子是不是能夠穿破大氣層。

2005年，潘建偉和彭承志等人在國際上首次實驗了水平距離13公里（大氣層垂直厚度約為5-10公里）的自由空間雙向量子糾纏分發，該實驗一方面首次在科學上證實了經過遠距離大氣信道傳輸之後糾纏的特性仍能保持，另一方面這個傳輸距離超過了大氣層的等效厚度，給了國際學術界第一個信心，表明進行衛星和地面之間的糾纏分發是可能的。

圖1：2005年水平距離13公里的自由空間雙向量子糾纏分發

2010年，該團隊在國際上首次實現了基於量子糾纏分發的16公里量子態隱形傳輸，量子態隱形傳輸實驗也從實驗室走到了戶外。

基於前期關鍵技術準備，2011年底，中國科學院戰略性先導科技專項「量子科學實驗衛星」正式立項。2012年，潘建偉領導的團隊在青海湖實現了首個超過102公里的糾纏光子對分發實驗，實驗中衰減範圍最高達到80dB，模擬了衛星分發光子對在雙向鏈路衰減非常大的情況下經過大氣信道傳輸仍可保持，進一步驗證了衛星-地面糾纏分發的可行性。

圖2：超過102km的糾纏光子對分發實驗

研製「墨子號」

隨後的幾年，該團隊重點投入力量研製「墨子號」量子科學實驗衛星。

實際上，「墨子號」要突破的技術難題，不僅僅是驗證光能穿透大氣層，還有很多技術上的難關。比如，我們平時看到星星閃爍，是因為大氣層有湍流，對成像有變化。「你要證明大氣的湍流帶來的光斑移動不受影響，就需要發展自適應光學技術」，潘建偉介紹說。

另外，儘管80%的光能穿透大氣，但是光有個衍射極限，雖然這個衍射角度很小，但在長距離的空間傳輸後，光斑會變大，而地面站接收光子的望遠鏡口相對較小，存在幾何損耗。

此外，「月亮有反射光，地面也有散射光，想要把這些雜散背景去掉，這本身也非常困難；最重要的是，衛星是高速飛行的，地面要模擬飛行角速度，使得轉動跟衛星一致，需要優化地面跟瞄系統精度……凡此種種，原理性實驗都要做。」潘建偉說。

為衛星上空準備的這段時間裡，潘建偉的心一直懸在半空中。有時候，他和同事感到「一切都沒問題」，為衛星即將上空而歡欣激動，但有些時候也會想到「衛星可能會崩潰，不能工作」而不安。

去年8月，「墨子號」成功在酒泉衛星中心發射，順利在距離地球500公里的軌道運行。設計在太陽同步軌道上的「墨子號」，與四個量子通信地面站（南山、德令哈、興隆、麗江量子通信地面站）和一個空間量子隱形傳態實驗站（阿里量子隱形傳態實驗平台）一起，構成了一個巨大的量子光學實驗室，實驗室有效空間達到10萬平方千米，成為探索量子網路、量子力學及量子引力的新的平台。

「墨子號」完成的第一個科學實驗

衛星上天后，潘建偉和同事馬不停蹄地對「墨子號」進行在軌測試。

他們還是遇到了一些麻煩。「衛星運行在太空惡劣的環境下，空間環境對實驗的影響比我們預想得要糟糕。」潘建偉和同事花了很長時間尋找原因，「我們曾經一度擔心，可能這三個實驗全部做不成了」。除了量子糾纏分發實驗，「墨子號」還有另外兩個任務：星地高速量子密鑰分發實驗、地星量子隱形傳態實驗。

幸運的是，他們後來解決了這些問題。

在本次實驗中，「墨子號」量子科學實驗衛星利用星上搭載的量子糾纏光源和發射望遠鏡製備並發送在偏振方向上存在糾纏的光子對。在衛星過境的短短300秒內，望遠鏡分別精確地指向德令哈和麗江地面站，兩個地面站的接收系統精確跟瞄衛星飛行角速度，隨著衛星轉動，衛星同時與兩個地面站建立量子信道，將糾纏光子發送到地面站，地面站隨機選取基矢對光子偏振方向進行符合測量，測量到的大量統計結果用來驗證貝爾不等式成立與否。

兩個地面站相距1200公里，衛星到兩個地面站的總距離平均為2000公里，衛星上的糾纏源每秒可產生800萬個糾纏光子對，建立光鏈路可以以每秒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。

而利用光纖輸送量子信號，潘建偉介紹，「距離達到1200公里之後，大概每3萬年只能送一個光子」，現在的實驗實現了每秒累積到一個有效的數據，「相當於要三萬年做成的事情我們一秒鐘就做到了」。

足夠大的空間距離和足夠快速的測量切換時間保證了「類空間隔」的測量要求，關閉了局域性漏洞和測量選擇漏洞。實驗結果表明，以4倍標準偏差違背了貝爾不等式，即以超過99.9%的置信度在千公里距離上驗證了量子力學正確性，實現了嚴格滿足「愛因斯坦定域性條件」的量子力學非定域性檢驗。

目前，「墨子號」的三個實驗任務除了已經在《科學》雜誌發表的結果，其他兩個也已經基本完成。「墨子號」的壽命還有一年半的時間，接下來，潘建偉還將與國際上的同事一起完成洲際的量子密鑰分發實驗。

「墨子號」只能在晚間工作，因為白天的陽光過於強烈。「我們下一步就要來解決白天黑夜都可以做實驗的問題，白天哪怕有太陽光的照射。」潘建偉說。

量子互聯網

「這是全球量子安全通信的第一步，甚至是量子互聯網（quantum internet）的第一步。」維也納大學量子物理學家Anton Zeilinger在接受英國的《新科學人》（New Scientist）採訪時說。

「這是一個重要的里程碑，因為如果我們將來有一個量子互聯網，我們需要在如此長距離的範圍內發送糾纏。」「他們開始了這個大膽的想法，並設法做到這一點。」加拿大滑鐵盧大學的物理學家Thomas Jennewein告訴《科學美國人》（Scientific American）。

而在去年，諾貝爾物理學獎得主、伊利諾伊大學香檳分校物理學教授 Anthony J. Leggett在接受國內媒體《科學新聞》時也表示，「如果此次量子科學實驗衛星上的實驗能夠獲得成功，那麼它肯定會為最終的『量子互聯網』打下堅實的基礎」。

實際上，潘建偉團隊的一個重要目標，就是建立一個全球性的量子互聯網。所謂量子互聯網，就是量子加密的互聯網。「我們今天的網路是受到數學演算法的保護，未來的量子網路將受到物理定律或者說自然法則的保護，將會超級安全。」研究的參與者之一、中國科學技術大學教授陸朝陽說。

要實現量子互聯網，處於低軌的「墨子號」顯然無法滿足需求。「我們會研究一個高軌衛星，使它能夠跟地面有更多的對接時間」，潘建偉說，「這樣光走更遠的距離，我們照樣能夠得到信號很好的接收。」

「我們會按照目前的理論模型做一些估算，來看看我們要把它精度做到什麼程度才能來開展後面的實驗。」潘建偉說。

「中國已經在量子通信領域取得領先地位」，在《科學美國人》的報道中，日內瓦大學物理學家Nicholas Gisin說，「這一研究表明全球量子通信是可能的，並將在不久的將來實現。」

參考資料：

1.http://www.nature.com/news/chinese-satellite-is-one-giant-step-for-the-quantum-internet-1.20329

3.http://www.nature.com/news/china-s-quantum-space-pioneer-we-need-to-explore-the-unknown-1.19166

4.https://www.newscientist.com/article/2134843-chinese-satellite-beats-distance-record-for-quantum-entanglement/

5.https://www.scientificamerican.com/article/china-shatters-ldquo-spooky-action-at-a-distance-rdquo-record-preps-for-quantum-internet/

（感謝中國科學技術大學合肥微尺度實驗室張文卓副研究員及李東東對本文成文的幫助）

製版編輯：斯嘉麗丨

本頁刊發內容未經書面許可禁止轉載及使用

公眾號、報刊等轉載請聯繫授權

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！