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跨越千里的“心手相牵”_0

发布时间:2019-09-13 20:08:00

▲ “量子科学实验卫星”工作示意图。(资料图片)

? “量子科学实验卫星”模型。(资料图片)

这是一场跨越千里的“纠缠”,一方来自青海德令哈站,另一方远在云南丽江站。尽管相距千里之遥,这对从未谋面的“陌生人”——粒子,却上演了一场举世震惊的“心心相印”大戏——

作为见证者,中国量子科学实验卫星首席科学家、中国科学技术大学副校长潘建伟院士6月16日对外宣布:中国率先实现了“千公里级”的星地双向量子纠缠分发,首次在太空中较为严格地验证了量子力学非定域性。

“这是一个巨大的成就,他们很早就有了这个大胆超前的想法,并最终实现了。”加拿大滑铁卢大学物理学家延内魏因如是评价。

鬼魅般的超距作用

通过量子纠缠所建立起来的量子信道不可破译,将成为未来保密通信的“终极武器”

“处在特殊状态(纠缠态)的粒子,无论相隔多远,当对其中一个粒子进行操作或测量,身处远方的其他粒子会瞬时发生相应的改变。”

这种“心灵感应”似的神秘关联,便是神奇的“量子纠缠”现象,也称量子力学非定域性。简单来说,量子纠缠即两个(或多个)粒子共同组成的量子状态。何谓量子?它是构成物质的最基本单元,也是能量的基本携带者,人们所熟知的分子、原子、电子、光子等微观粒子,皆是其表现形态之一。

按我们以往的认识,一只猫非生即死,不能同时“又生又死”。根据潘建伟的解释,在量子世界中,当猫和我们没有相互作用的时候,它可以处于“生”和“死”同时叠加的状态,此时,我们再去测量两只分处异地的猫,当确定其中一只为生时另外一只也为生,反之则为死,哪怕这两只猫相隔甚远。

对于这种“鬼魅般的超距作用”,爱因斯坦深表怀疑。“对一个粒子的测量不会对另一个粒子产生影响。”他坚称。以玻尔为代表的哥本哈根学派则持反对意见,他们认为,对一个粒子的测量会瞬间改变另一个粒子的状态。

究竟孰是孰非?过去的大半个世纪里,物理学家们围绕这一话题争论不休。因为,量子的这一奇妙特性一旦得到验证,将有一个最为直接的应用——通过量子纠缠所建立起来的量子信道不可破译,将成为未来保密通信的“终极武器”。

上世纪70年代,法国物理学家阿斯派克特的3个实验曾给出了量子非定域性的明确结论。但是,最初的这些实验验证存在种种漏洞。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?这些基本物理问题的验证有赖于上千公里甚至更远距离的量子纠缠分发。

如何把制备好的两个纠缠粒子分别发送到相距很远的两个点?中科院上海技术物理研究所研究员、量子科学实验卫星工程常务副总师、卫星系统总指挥王建宇介绍,“墨子号”卫星过境时,同时与青海德令哈站和云南丽江高美古站两个地面站建立光链路,卫星上的纠缠源载荷每秒产生800万个纠缠光子对,光链路以每秒1对的速度在地面超过1200公里的两个站之间建立量子纠缠。

“高精度的实验技术保证了两地的独立测量时间间隔足够小,结果以99.9%的置信度在千公里距离上验证了量子力学的正确性,实现了严格满足‘爱因斯坦定域性条件’的量子力学非定域性检验。”潘建伟称。

这意味着什么?一句话,即便相距千里之遥,量子纠缠效应依然有效。

实用化进程再提速

13公里、16公里、百公里,“咬住青山不放松”,他们不断扩展量子纠缠分发的距离,并向新目标努力奔跑

当然,除了验证量子力学非定域性的存在,此番量子纠缠成功跨越千里,更重要的意义在于将量子通信实用化进程又向前推进了一大步。

“利用量子纠缠所建立的量子信道,是构建量子信息处理网络的基本单元,而要构建广域的量子网络,第一步就是要实现远距离的量子纠缠分发。”潘建伟解释。

理想很丰满,现实很骨感。由于量子纠缠非常脆弱,其在远距离光纤传输中,一来损耗过大,二来与环境的耦合会使纠缠品质大大下降;在近地传输过程中,还会受到地面障碍物、地表曲率等影响。受种种因素限制,此前国内外地面实验的量子纠缠分发距离一直停留在百公里量级。

如何有效扩展量子纠缠分发的距离?理论上有两种途径。一种是利用量子中继,但目前由于受到量子存储寿命和读出效率等因素的严重制约,无法实际应用于远程量子纠缠分发。另一种则是利用卫星向地面分发。

“相比光纤,星地间的自由空间信道损耗小,结合卫星的帮助,可以在全球尺度上实现超远距离的量子纠缠分发。”2003年,潘建伟团队提出利用卫星实现远距离量子纠缠分发的方案。13公里、16公里、百公里,“咬住青山不放松”,他们不断扩展量子纠缠分发的距离,并向新目标努力奔跑。2016年8月16日,“墨子号”成功发射,卫星的科学任务之一即是双向星地量子纠缠分发。

“这是世界上第一次实现千公里量级的量子纠缠。”根据潘建伟的测算,实验中,量子纠缠的传输衰减仅仅是同样长度地面光纤最低损耗的一万亿分之一。而即便选用超低损耗光纤,将一对光子分发到千公里以外也得需要3万年的时间。“这就完全丧失了通信的意义。”潘建伟说。

向着终极目标努力奔跑

今后或将在地月拉格朗日点放上光源,向人造飞船和月球分发量子纠缠,朝着“30万公里”的终极目标继续努力

从百里到千里,量子纠缠分发距离的这一跨越,究竟有多难?王建宇打了个比方:如果把光量子看成一个个1元硬币,星地量子分发就相当于从万米高空飞行的飞机上,不断把上亿个硬币准确投入持续旋转的储蓄罐狭小的投币口中。

这种星地间“针尖对麦芒”的远距离量子纠缠分发对精度要求极高。“光子是光里最小的单位,要探测到每个光子,就像在地球上,要看到月球上划亮的一根火柴。”王建宇这样形容。

是挑战也是机遇

“这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。”《科学》杂志几位审稿人断言,“毫无疑问,这将在学术界和广大社会公众中产生非常巨大的影响”。

美国波士顿大学量子技术专家谢尔吉延科评价:这是一个英雄史诗般的实验,中国研究人员的技巧、坚持和对科学的奉献应该得到最高的赞美与承认。

赞誉纷至沓来,潘建伟没有刻意回避,他称“这是量子卫星上天以来,迄今为止发布的最大成果”,未来将为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可靠的技术基础。

运用所发展的量子纠缠分发技术,研究团队正在开展实验创建密钥,以实现天地间的信息传输。“目前,量子通信的一个主要挑战是:如何在白天有大量光量子的情况下,分辨并接收到量子卫星的信号,以实现量子通信。”根据潘建伟的设想,他们今后或将在地月拉格朗日点放上光源,向人造飞船和月球分发量子纠缠,朝着“30万公里”的终极目标继续努力。

前景依稀明朗,脚步渐渐加速。“‘墨子号’卫星的其他重要科学实验任务,包括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。”潘建伟表示,目前量子通信技术已有很多突破,随着中国科技的迅猛发展,量子通信有望在“十三五”时期实现初步应用,但绝对安全的量子通信规模化应用可能还得需要10多年甚至更长时间。

按照计划,今后我国还将陆续发射多颗量子卫星,力争在2030年前后率先建成全球首个天地一体化的实用性广域量子通信网络。

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