中國「墨子號」量子科學實驗衛星震撼國內外

2016年8月16日成功發射以來還不滿周歲的中國「墨子號」量子科學實驗衛星，2017年6月16日牛刀小試。

2016年11月9日，在河北興隆觀測站，「墨子號」量子科學實驗衛星過境，科研人員在做實驗(合成照片)。

這一日，「墨子號」登上美國《科學》雜誌封面。畫上的它張開太陽能雙翼，「身體」向下發出的兩條紅色光鏈路乍看像是「雙足」。它屹立於天地間，顯得神氣十足。

中國科學院聯合研究團隊同日在合肥宣布成果：他們將量子糾纏分發的世界紀錄從百公里級提高到千公里級，並以每秒1對的速度在兩個地面站間建立量子糾纏。

通俗而言，量子糾纏是指兩個或多個處於糾纏狀態的粒子彼此感應，無論相距多遠，當其中一個粒子的狀態發生改變，另一個或多個粒子隨之而變。

但科學界對此存疑，包括愛因斯坦在內的一批科學家就認為量子力學不完備，測量結果受到某種「隱變數」的預先決定。於是物理學家貝爾提出了貝爾不等式，為人們提供了實驗上的檢驗方法：將製備好的兩個糾纏粒子(一般是光子)分別發送到相距很遠的兩個點，再觀察兩個點的統計測量結果。

「按照愛因斯坦的觀點，我還沒有告訴你我這裡發生什麼，怎麼會對你產生影響。」「墨子號」首席科學家、中國科學技術大學教授潘建偉打比方說。如果兩個點相距足夠遙遠，在短到光都無法到達的時間裡，若兩個糾纏粒子還是「遙相呼應」，質疑聲不攻自破。

潘建偉團隊在2003年提出利用衛星實現遠距離量子糾纏分發的方案。之所以利用衛星，一方面是可以避免光子在光纖內或地表達大氣隨傳輸距離而衰減；另一方面是可以追求更遠的距離，還可以驗證量子糾纏會否受到引力作用。

在中國科學院空間科學戰略性先導科技專項的支持下，潘建偉及其同事彭承志等組成的研究團隊，聯合中國科學院上海技術物理研究所王建宇研究組，以及微小衛星創新研究院等院所，成功將世界首顆量子科學實驗衛星送入距地約500公里的太陽同步軌道。

那麼，「墨子號」究竟如何在空間尺度上開展量子糾纏分發實驗？

倘若細究《科學》雜誌封面上「墨子號」，它該是一腳「踏」在青海德令哈站，另一腳「踏」在雲南麗江站，這兩個地面站相距1203公里。「墨子號」過境時同時與兩站建立光鏈路，發出量子糾纏光子對。此前量子傳輸距離紀錄僅僅是百公里量級。

王建宇形容，地面站接收「墨子號」分發光子的難度相當於「從地球看月面上劃一根火柴」，或是「在地面用不停旋轉的、直徑10厘米的儲蓄罐，去接萬米高空飛機拋下的硬幣」。他自信表示：「我們的信標光與激光信號的對準精度是國際上最高的。」

實驗證明，「墨子號」量子糾纏的傳輸衰減程度僅是同樣長度最低損耗地面光纖的一萬億分之一。傳輸效率大大提升，分發1對光子從需要3萬年提高到1秒。

16日公布的科研成果震動國內外，《科學》雜誌審稿人斷言：「絕對毫無疑問將在學術界和廣大的社會公眾中產生非常巨大的影響」。加拿大滑鐵盧大學量子項目成員托馬斯·延內魏因說：「很明顯，他們(潘建偉團隊)是量子衛星的世界領跑者。」

「目前我們確實領先，用了十多年時間做成第一。」潘建偉在接受中新社記者採訪時說。邊說邊看著手機上傳來英國廣播公司(BBC)等媒體的追蹤報道，「現在大家提出要儘可能趕上我們，我們還有嚴重的危機感。」

他舉例說，目前的貝爾不等式實驗都還沒有終極意義上關閉光的自由意志選擇漏洞，也就是所謂「產生隨機數的機器會否早已串通」的猜疑。科學家們的設想是超越每秒30萬公里的光速，在足夠遠的地方，讓擁有自由意志的「人」來完成實驗。

這設想未免「瘋狂」，於是潘建偉為「墨子號」設定了幾個小目標，比如與歐洲同行合作進行洲際量子密鑰分發，「在北京和維也納之間進行量子加密視頻通話」；比如要改變「墨子號」現在只能「上夜班」的情況，未來24小時工作；還比如要突破「墨子號」每次過境時只有5分鐘可以做實驗的限制，向中高軌道發射衛星。

科學家希冀研究成果早日得到應用，「在『十三五』末至『十四五』初實現真正滿足保密需求的型號，再用10年時間走向千家萬戶。」潘建偉說。

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