5分鐘看懂「墨子號」量子衛星的千公里級量子糾纏分發

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圖片來源：flickr

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2016年8月，我們國家發射了一顆量子科學實驗衛星「墨子號」。它將首次開展星地間量子保密通信實驗和量子隱形傳態實驗。

今天我們要講的是它的第三個任務，就是通過向地面發射一對對糾纏光子，來驗證一下在量子力學中，「上帝」到底「擲不擲骰子」。

話說量子力學有很多難以理解的現象。比方說，光子可以朝著某個方向進行振動，叫做偏振。

在量子力學中，一個光子居然可以同時處在水平偏振和垂直偏振兩個量子狀態的疊加態。

但如果你拿一個儀器在這兩個方向上測量這樣的光子，就會發現，每次測量只會得到其中一個結果：要麼是水平的，要麼是垂直的。測量結果完全隨機。這就是量子力學的另一個怪現象：測量疊加態的結果完全拼概率。

拼概率的怪事，讓量子力學的創始人之一愛因斯坦非常不滿意，他還因此跟另一個創始人玻爾發生過一場論戰。

論戰雖然很火爆，但直到兩個人去世時，都沒有戰出勝負來。因為他們的爭吵總是停留在理論上。而在物理學中，誰說了都不算，最後還得看實驗。

1964年，物理學家約翰·貝爾提出了一個實驗方案，能夠檢驗他們誰對誰錯。

簡而言之，貝爾要讓一台機器不斷向兩個方向發射一對對糾纏光子，然後隨機沿著不同的角度，分別對糾纏光子的偏振方向進行測量。

無論它們相距多遠，只要你測量其中一個光子，另一個光子也會瞬間發生響應。這是愛因斯坦說的「鬼魅般的超距作用」。

如果量子力學如愛因斯坦所說，每單次的測量結果並不是完全隨機產生的，而是由某種人們目前可能還暫時無法理解的所謂「隱變數」操縱的，並且一個地點的測量信息即使以光速飛行，也來不及在實驗結束之前影響到另一個地點的測量，那麼實驗結果就會滿足一個不等式，叫做貝爾不等式。

在貝爾不等式的實驗中，為了保證測量事件的類空間隔，科學家總是要將兩個探測裝置相隔一定距離放置。他們每做完一輪實驗都會想，如果距離再遠一些，量子糾纏是否仍然存在，貝爾不等式的結果會不會改變？會不會受到引力等其它因素的影響？於是，在科學精神的驅使下，他們將探測裝置越放越遠。

如果在地面上做這個實驗，光子就會受到大氣的干擾，傳輸距離不可能太長。所以，之前科學家做過的最遠距離的實驗是相距100千米。

但是在太空中就不同了，因為衛星軌道附近基本上是真空，大部分空氣都貼在地球表面，所以，從太空中向地面發射糾纏光子，受到的干擾就會比較小。

2017年6月，中國科學技術大學潘建偉教授及其同事彭承志等，聯合中科院上海技術物理研究所王建宇組、微小衛星創新研究院、光電技術研究所、國家天文台、國家空間科學中心等，利用量子科學實驗衛星，在相距1200千米的兩個地面站之間，成功完成了貝爾不等式的測量。

實驗結果再次表明，愛因斯坦的願望落空了，他的局域隱變數理論依然不成立。

墨子號衛星的實驗結果，將以封面文章的形式發表在Science雜誌上。

這個實驗表明，中國科學家有能力在太空中，向相距1200千米的兩個地面站發送糾纏光子對，這就為將來發展一種基於量子糾纏的量子保密通信打下了基礎。

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本文原載微信公眾號《墨子沙龍》，《知識分子》獲授權刊載。本文所有圖片（除註明外）均來自《Sheldon》。

製版編輯：陳婧嫻

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