作者:丁佳 来源:中国科学报 发布时间:2017-6-19
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1203公里的纠缠
——中国量子卫星实现千公里量子纠缠分发

 

■本报记者 丁佳

6月16日,一双红色的“筷子”出现在美国《科学》杂志的封面上。正是这双“筷子”,将量子纠缠分发的世界纪录提高了一个数量级。

近日,由中科院院士、中国科学技术大学教授潘建伟及其同事彭承志等组成的研究团队,联合中科院上海技术物理研究所王建宇研究组、微小卫星创新研究院、光电技术研究所、国家天文台、紫金山天文台、国家空间科学中心等,在中科院空间科学战略性先导科技专项的支持下,利用“墨子号”量子科学实验卫星在国际上率先成功实现了千公里级的星地双向量子纠缠分发。

鬼魅般的“心灵感应”

量子纠缠,是指两个或多个粒子共同组成的一种量子状态。理论上,无论这些粒子之间相隔多远,只要一个粒子发生变化,另外的粒子也会即刻“感知”并随之发生变化。这被称为量子力学的非定域性。

量子纠缠所体现的非定域性是量子力学最神奇的现象之一。爱因斯坦将这种现象比喻成“鬼魅般的超距作用”。

不仅是爱因斯坦,全球相关领域的科学家都为之着迷不已。因为如果能把制备好的两个纠缠粒子分别发送到相距很远的两个点,通过观察两个点的统计测量结果,就可以验证量子力学非定域性的存在。更重要的是,通过量子纠缠所建立起来的量子信道不可破译,将是未来保密通信的“终极武器”。

但是,量子纠缠也非常脆弱,用传统的方法进行分发,会随着光子在光纤内或者地表大气中的传输距离而衰减。潘建伟粗略地测算过,使用光纤进行量子分发,传输百公里距离,损耗已达99%;传输上千公里的距离,每送1个光子大约需要3万年,“这就完全丧失了通信的意义”。

因此,目前量子纠缠分发实验一直停留在百公里的距离。量子纠缠“鬼魅般的超距作用”在更远的距离上是否仍然存在?会不会受到引力等其他因素的影响?科学家的好奇心,让潘建伟萌发了一个大胆的想法。

“让潘建伟疯狂一下吧”

理论上,有两种途径可以扩展量子纠缠分发的距离。一种是量子中继,也就是用“接力跑”的方式进行信息传输。然而,潘建伟坦言,他的团队研究这个方向已经十几年了,但受到量子存储寿命和读出效率等因素的严重制约,量子中继一直无法实际应用于远程量子纠缠分发。

“另一种办法就是利用卫星,光子在真空中可以无障碍传输,进入大气层后,也只有10公里左右的距离,整个信道的损耗小,用这个办法进行量子通信,比在空气、光纤中都可行。”潘建伟说,“结合卫星的帮助,有望在全球尺度上实现超远距离的量子纠缠分发。”

2003年,潘建伟向中科院提出了利用卫星实现远距离量子纠缠分发的方案。这个闻所未闻的想法在中科院内并不是没有质疑的声音,但当时的中科院领导经过思索,还是咬牙批了下来,给了潘建伟团队100多万元,决定给科学家一个机会,让他们“疯狂一下”。

2005年,13公里;2010年,16公里……潘建伟团队将自由空间双向量子纠缠分发的距离一点点拉长。直到2011年年底,他们迎来了一个关键的转折点——中科院空间科学先导专项将“量子科学实验卫星”正式立项。

中科院上海技物所研究员、量子科学实验卫星工程常务副总师兼卫星系统总指挥王建宇也在这时与潘建伟团队结下了不解之缘。做工程出身的他,最初也被潘建伟的想法“吓了一跳”。但科学和工程团队精诚合作,克服了种种困难,最终研制成功了“墨子号”量子科学实验卫星。

卫星于2016年8月16日在酒泉卫星发射中心发射升空。星地量子纠缠分发作为卫星的三大科学实验任务之一,是国际上首次在空间尺度上开展的量子纠缠分发实验。“我们在‘墨子号’研制过程中建立起来的协同创新机制,为将来我国开展大规模的科学探索提供了很好的经验。”潘建伟说。

量子“红娘”情牵千里

青海德令哈与云南丽江两个地面站相隔1203公里。“墨子号”量子科学实验卫星过境时,同时与两个地面站建立起光链路,并以每秒钟一对的速度给两个地面站分发纠缠光子并建立量子纠缠。

“这种方式进行量子纠缠的传输衰减仅为同样长度最低损耗地面光纤的一万亿分之一。”王建宇说,“但它对卫星的精度要求极高,就像从万米高空的飞机上扔下一串硬币,在地上用一个存钱罐接住。”

但中国的量子卫星团队做到了。“墨子号”在国际上率先实现千公里级的量子纠缠分发,并在此基础上首次实现空间尺度严格满足“爱因斯坦定域性条件”的量子力学非定域性检验。潘建伟认为,这一成果为未来开展大尺度量子网络和量子通信实验研究,以及开展外太空广义相对论、量子引力等物理学基本原理的实验检验奠定了可靠的技术基础。

成果发表后,《科学》杂志几位审稿人称赞,该成果是“兼具潜在实际现实应用和基础科学研究重要性的重大技术突破”,并断言“绝对毫无疑问将在学术界和广大的社会公众中产生非常巨大的影响”。

14年的持续攻关,让中国科大研究员、量子科学实验卫星科学应用系统总师、卫星系统副总师彭承志从一个青涩的博士生成长为团队核心成员,也让他生出了一头白发。不过,他说,能在这个大的团队里工作,“感觉自己挺牛的”,因为他们做的事不但在科学上是有意义的,在国际上也是领先的。未来,他还希望这些成果能走向实用,对国家也能有用。“为了这个目标,再来14年,我也愿意。”

彭承志的心愿不会落空。今天的成果只是“墨子号”的第一个“大招”。“墨子号”其他重要的科学实验任务,如高速星地量子密钥分发、地星量子隐形传态等,也在紧张顺利地进行中,预计今年会有更多科学成果陆续发布。潘建伟还透露,目前国际同行纷纷表达了合作需求,北京与维也纳之间的第一次洲际量子秘钥分发有望在下月中旬开展。

届时,太空中的这位中国量子“红娘”还将牵出多少美妙的姻缘,我们不妨拭目以待。

《中国科学报》 (2017-06-19 第1版 要闻)
 
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