西安天和-墨子號(hào)量子衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)千公里級(jí)量子糾纏分發(fā)

人民網(wǎng)合肥6月16日電（趙竹青）記者從中國(guó)科學(xué)院獲悉，近日，我國(guó)科學(xué)家在空間量子物理研究方面再次取得重大突破。中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉教授及其同事彭承志等組成的研究團(tuán)隊(duì)，聯(lián)合中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所王建宇研究組、微小衛(wèi)星創(chuàng)新研究院、光電技術(shù)研究所、國(guó)家天文臺(tái)、紫金山天文臺(tái)、國(guó)家空間科學(xué)中心等，在中國(guó)科學(xué)院空間科學(xué)戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)的支持下，利用“墨子號(hào)”量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星在上成功實(shí)現(xiàn)了千公里級(jí)的星地雙向量子糾纏分發(fā)，并在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了空間尺度下嚴(yán)格滿足“愛(ài)因斯坦定域性條件”的量子力學(xué)非定域性檢驗(yàn)。相關(guān)成果于6月16日以封面論文的形式發(fā)表在學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》雜志上。

源于一個(gè)“英勇”的異想天開(kāi)

“量子糾纏是物理學(xué)中的一個(gè)基本概念。”中科院院士、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授，量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星首席科學(xué)家潘建偉告訴記者，量子糾纏被愛(ài)因斯坦稱之為“鬼魅般的超距作用”，它是兩個(gè)（或多個(gè)）粒子共同組成的量子狀態(tài)，無(wú)論粒子之間相隔多遠(yuǎn)，測(cè)量其中一個(gè)粒子必然會(huì)影響其它粒子，這被稱為量子力學(xué)非定域性。

“量子糾纏所體現(xiàn)的非定域性是量子力學(xué)神奇的現(xiàn)象之一?！迸私▊フf(shuō)，量子糾纏分發(fā)就是把制備好的兩個(gè)糾纏粒子（通常為光子）分別發(fā)送到相距很遠(yuǎn)的兩個(gè)點(diǎn)。通過(guò)觀察兩個(gè)點(diǎn)的統(tǒng)計(jì)測(cè)量結(jié)果是否破壞貝爾不等式，可以用來(lái)驗(yàn)證量子力學(xué)非定域性的存在?！巴瑫r(shí)，利用量子糾纏所建立起的量子信道，也是構(gòu)建量子信息處理網(wǎng)絡(luò)的基本單元?！?/p>

為了實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的量子分發(fā)，潘建偉團(tuán)隊(duì)在2003年就提出了利用衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離量子糾纏分發(fā)的方案，“這在當(dāng)時(shí)是一個(gè)異想天開(kāi)、一個(gè)非?！⒂隆南敕?，甚至有點(diǎn)悲壯的感覺(jué)?！被貞浧鹗畮啄昵暗钠鸩?，潘建偉感慨頗深。

有人支持，有人反對(duì)。潘建偉團(tuán)隊(duì)在爭(zhēng)議中前行，隨后的幾年內(nèi)，他們順著這一設(shè)想，經(jīng)過(guò)艱苦攻關(guān)，克服重重困難，成功完成了地面上的一系列前期驗(yàn)證。研制成功并在2016年發(fā)射了“墨子號(hào)”量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星，在上于空間尺度上開(kāi)展的量子糾纏分發(fā)實(shí)驗(yàn)。

實(shí)現(xiàn)千公里級(jí)量子糾纏分發(fā)

潘建偉介紹，“墨子號(hào)”量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星過(guò)境時(shí)，同時(shí)與青海德令哈站和云南麗江站兩個(gè)地面站建立光鏈路，量子糾纏光子對(duì)從衛(wèi)星到兩個(gè)地面站的總距離平均達(dá)2000公里。衛(wèi)星上的糾纏源載荷每秒產(chǎn)生800萬(wàn)個(gè)糾纏光子對(duì)，建立光鏈路可以以每秒1對(duì)的速度在地面超過(guò)1200公里的兩個(gè)站之間建立量子糾纏，千公里的空間尺度上實(shí)現(xiàn)了嚴(yán)格滿足“愛(ài)因斯坦定域性條件”的量子力學(xué)非定域性檢驗(yàn)。

“該量子糾纏的傳輸衰減僅僅是同樣長(zhǎng)度低損耗地面光纖的一萬(wàn)億分之一。如果用過(guò)去的方法，需要三萬(wàn)年才能送一個(gè)糾纏的光子到千公里以外，現(xiàn)在用量子衛(wèi)星能做到每秒送1個(gè)了。”潘建偉說(shuō)，雖然這個(gè)數(shù)量還是有點(diǎn)“不夠用”，但至少?gòu)脑砩弦呀?jīng)實(shí)現(xiàn)了，以后再慢慢擴(kuò)大傳輸量，就能實(shí)現(xiàn)用量子傳遞大量的信息了。

世界上的成果之一

潘建偉說(shuō)，這一重要成果為未來(lái)開(kāi)展大尺度量子網(wǎng)絡(luò)和量子通信實(shí)驗(yàn)研究，以及開(kāi)展外太空廣義相對(duì)論、量子引力等物理學(xué)基本原理的實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)奠定了可靠的技術(shù)基礎(chǔ)。

正因?yàn)榇?，《科學(xué)》雜志幾位審稿人稱贊該成果是“兼具潛在實(shí)際現(xiàn)實(shí)應(yīng)用和基礎(chǔ)科學(xué)研究重要性的重大技術(shù)突破”并斷言 “毫無(wú)疑問(wèn)將在學(xué)術(shù)界和廣大的社會(huì)公眾中產(chǎn)生非常巨大影響”。

中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)研究員、量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星科學(xué)應(yīng)用系統(tǒng)總師兼衛(wèi)星系統(tǒng)副總師彭承志回憶，2003年的時(shí)候，自己還是一個(gè)博士生，白發(fā)也沒(méi)有現(xiàn)在這么多，“當(dāng)時(shí)潘老師和我們描述量子通信的前景，我問(wèn)潘老師，這個(gè)事是不是挺牛的？潘老師說(shuō)，是世界上的。作為一個(gè)年輕人能夠做這樣一件事情，我沒(méi)有理由拒絕?！?/p>

“當(dāng)然后來(lái)做成了。感覺(jué)挺自豪，挺有成就感的?！迸沓兄菊f(shuō)，從2003年參與項(xiàng)目開(kāi)始算起，團(tuán)隊(duì)用14年的努力證明了這件事在科學(xué)上是有意義的，現(xiàn)在也有越來(lái)越多的人加入這一團(tuán)隊(duì)來(lái)做這個(gè)事情，他感到非常欣慰。

“做了這個(gè)事情之后感覺(jué)到了一個(gè)新的層次，感到有更多的事情可以往下走。比如自由意志的驗(yàn)證，以及和引力波探測(cè)結(jié)合等等。”彭承志表示，這項(xiàng)技術(shù)未來(lái)對(duì)國(guó)家、科學(xué)界非常有用，“即便未來(lái)再來(lái)一個(gè)14年，也是非常值得的?！?/p>

然而，潘建偉仍有著“嚴(yán)重的危機(jī)感”。他說(shuō)，沒(méi)做成的時(shí)候有很多懷疑，現(xiàn)在花了這么多時(shí)間做成了，上都紛紛表示要“盡可能趕上”。他說(shuō)，現(xiàn)在就是爭(zhēng)分奪秒，盡可能地繼續(xù)保持，不要被別人超越。

“也希望能夠得到更多人的支持，讓我們做得更好?！迸私▊フf(shuō)。

“大團(tuán)隊(duì)”的合作成果

潘建偉表示，該成果是由一個(gè)“大團(tuán)隊(duì)”做出的。在中國(guó)科學(xué)院空間科學(xué)戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)的支持下，潘建偉教授和他的同事彭承志等組成的研究團(tuán)隊(duì)，聯(lián)合中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所王建宇研究組、微小衛(wèi)星創(chuàng)新研究院、光電技術(shù)研究所、國(guó)家天文臺(tái)、紫金山天文臺(tái)、國(guó)家空間科學(xué)中心等單位合作完成。

潘建偉認(rèn)為，這個(gè)實(shí)驗(yàn)的成功實(shí)施體現(xiàn)了建立量子信息國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的必要性。“我們?cè)谘芯康倪^(guò)程中，需要各個(gè)單位的經(jīng)驗(yàn)。我們?cè)谶@個(gè)合作過(guò)程中建立起來(lái)了很好的協(xié)同創(chuàng)新機(jī)制，也為未來(lái)建設(shè)多學(xué)科交叉、大規(guī)?？茖W(xué)探索找到一個(gè)非常好的方式。”

對(duì)此，中科院上海技術(shù)物理研究所研究員、量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星工程常務(wù)副總師兼衛(wèi)星系統(tǒng)總指揮王建宇也非常認(rèn)同，他說(shuō)，量子衛(wèi)星是一個(gè)從天到地的天地一體化實(shí)驗(yàn)體系，這一體系能夠很好地運(yùn)轉(zhuǎn)，需要衛(wèi)星與地面的協(xié)同工作，涉及到的部門(mén)非常多，“此次成果的獲得確實(shí)得益于現(xiàn)在的的科研體制，‘國(guó)家實(shí)驗(yàn)室’確實(shí)是一個(gè)非常好的體制”。

彭承志說(shuō)，作為的科研項(xiàng)目，墨子號(hào)體現(xiàn)了科學(xué)與工程的統(tǒng)一?！凹纫诳茖W(xué)上做到，同時(shí)，必須有工程方面的可靠支持。這是成功的一大關(guān)鍵?！彼榻B，為了更好地實(shí)現(xiàn)科學(xué)目標(biāo)，衛(wèi)星的設(shè)計(jì)上做了很多努力，比如，將原先辦公桌大小的激光器，做到一個(gè)拇指那么大，并且實(shí)現(xiàn)了自主可控。

技術(shù)走進(jìn)千家萬(wàn)戶還需要至少十年

潘建偉介紹，除了量子糾纏分發(fā)實(shí)驗(yàn)外，“墨子號(hào)”量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星的其它重要科學(xué)實(shí)驗(yàn)任務(wù)，包括高速星地量子密鑰分發(fā)、地星量子隱形傳態(tài)等，也在緊張順利地進(jìn)行中，預(yù)計(jì)今年會(huì)有更多的科學(xué)成果陸續(xù)發(fā)布。

潘建偉透露，“墨子號(hào)”在7月份左右還將會(huì)有一個(gè)展示，實(shí)現(xiàn)維也納到北京安全加密的視頻會(huì)議。“目前，技術(shù)上已經(jīng)有很好的成熟性，此后再通過(guò)中高軌衛(wèi)星的研究等，預(yù)計(jì)在十三五末能夠真正滿足現(xiàn)實(shí)中的保密通信的需要?！暗绻f(shuō)終走到千家萬(wàn)戶，可能還需要十年或者更長(zhǎng)的時(shí)間?！?/p>

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