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）。新華社記者 金立旺 攝
新華社合肥6月16日電（記者喻菲、徐海濤）中國科學家利用“墨子號”量子科學實驗衛星，在國際上率先實現千公里級的量子糾纏分發，證明這種令愛因斯坦都感到困惑的“遙遠地點間的詭異互動”在這樣大的尺度上依然存在。
世界首顆量子衛星“墨子號”首席科學家、中國科學院院士潘建偉說，這是首次實現空間尺度嚴格滿足“愛因斯坦定域性條件”的量子力學非定域性檢驗，為未來開展大尺度量子網路和量子通訊實驗研究，以及開展外太空廣義相對論、量子引力等物理學基本原理的實驗檢驗奠定了可靠的技術基礎。
6月16日國際權威學術期刊《科學》雜誌以封面論文的形式刊登了中國科學家在空間量子物理研究方面取得的重大突破。
“幽靈作用”：世紀爭論
量子糾纏是量子物理中一個最深遠和最令人費解的現象，被愛因斯坦稱為“鬼魅般的超距作用”，它是兩個（或多個）粒子共同組成的量子狀態，無論粒子之間相隔多遠，測量其中一個粒子必然會影響其它粒子。
儘管是量子力學的創始人之一，但愛因斯坦不相信存在“遙遠地點間的詭異互動”，他認為量子力學對客觀世界的描述是不完備的，量子力學一定還有某些因素尚待發現。然而量子力學的另一位創始人——玻爾認為量子力學沒有問題，這種奇異現象是存在的。20世紀二三十年代，量子力學就在他們的爭論中發展起來。
到底哪一方理論正確，需要實驗來檢驗。
20世紀60年代，愛爾蘭物理學家貝爾原本支援愛因斯坦的觀點，他設計出一個數學公式，也就是貝爾不等式，提供了用實驗在玻爾與愛因斯坦不同觀點之間做出判決的機會。目前科學家所進行的所有實驗都支援玻爾一方的觀點。
然而，目前的實驗還存在漏洞。此外，量子糾纏在更遠的距離上是否仍然存在？會不會受到引力等其它因素的影響？潘建偉說，這些基本物理問題的驗證都需要實現上千公里甚至更遠距離的糾纏分發；另一方面，要實現廣域的量子網路也自然要求遠距離的糾纏分發。
潘建偉說，由於量子糾纏非常脆弱，會隨著光子在光纖內或者地表大氣中的傳輸距離而衰減，以往的量子糾纏分發實驗只停留在百公里的距離。
他說，理論上有兩種途徑可以擴充套件量子糾纏分發的距離。一種是利用量子中繼，儘管量子中繼的研究在近些年已取得了系列重要突破，但是目前仍然受到量子儲存壽命和讀出效率等因素的嚴重製約而無法實際應用於遠端量子糾纏分發。另一種是利用衛星，因為星地間的自由空間通道損耗小，在遠端量子通訊中比光纖更具可行性，結合衛星的幫助，可以在全球尺度上實現超遠距離的量子糾纏分發。
2016年12月10日，在西藏阿里觀測站，“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）。新華社記者 金立旺 攝
“墨子號”：世界首次空間尺度實驗
潘建偉團隊早在2003年就提出了利用衛星實現遠距離量子糾纏分發的方案，隨後於2005年在國際上首次實現了水平距離13公里的自由空間雙向量子糾纏分發。2010年，該團隊又在國際上首次實現了基於量子糾纏分發的16公里量子態隱形傳輸。
2011年底，中科院戰略性先導科技專項“量子科學實驗衛星”正式立項。2012年，潘建偉領導的團隊在青海湖實現了首個百公里的雙向量子糾纏分發和量子隱形傳態，充分驗證了利用衛星實現量子通訊的可行性。
中國科學技術大學潘建偉教授及其同事彭承志等組成的研究團隊，聯合中科院上海技術物理研究所王建宇研究組、微小衛星創新研究院、光電技術研究所、國家天文臺、紫金山天文臺、國家空間科學中心等經過艱苦攻關，克服種種困難，最終研製成功了“墨子號”量子科學實驗衛星。衛星於2016年8月16日在酒泉衛星發射中心發射升空。星地量子糾纏分發是衛星的三大科學實驗任務之一。
據介紹，“墨子號”衛星過境時，同時與青海德令哈站和雲南麗江站兩個地面站建立光鏈路，量子糾纏光子對從衛星到兩個地面站的總距離平均達2000公里。衛星上的糾纏源載荷每秒產生800萬個糾纏光子對，建立光鏈路可以以每秒1對的速度在地面超過1200公里的兩個站之間建立量子糾纏，該量子糾纏的傳輸衰減僅僅是同樣長度最低損耗地面光纖的一萬億分之一。
量子衛星工程常務副總師兼衛星總指揮王建宇說，這項天地實驗非常困難，量子衛星上的光軸與地面望遠鏡光軸要嚴格對準，用一個形象的比喻就是針尖對麥芒。衛星的對準精度高於普通衛星的10倍，實驗才能順利展開。真正的問題在於，這顆衛星將在人們的頭頂以約8公里／秒的速度飛馳，地面觀測站每次只能持續跟蹤幾分鐘。
王建宇說：“衛星的對準精度就好比我們在一萬米高空的飛機上，向地面扔一個一個硬幣，要準確投入儲蓄罐狹長的投幣口內，而儲蓄罐還在慢慢旋轉中；或者說從上海發射一束光，要瞄準北京任何一扇窗戶，指哪打哪。而衛星的探測靈敏度也是國際上最高的，相當於在月球劃一根火柴，在地球上都能看到。”
2016年12月22日，在雲南麗江觀測站，潘建偉（前排右二）、王建宇（前排左一）、彭承志（後排右一）等科研人員在做實驗。新華社記者 金立旺 攝
潘建偉：目前為止最重要的研究成果
據介紹，“墨子號”開展的量子糾纏分發實驗在關閉局域性漏洞和測量選擇漏洞的條件下，獲得的實驗結果以4倍標準偏差違背了貝爾不等式，即在千公里的空間尺度上實現了嚴格滿足“愛因斯坦定域性條件”的量子力學非定域性檢驗，再次支援了玻爾的觀點。
《科學》雜誌審稿人稱讚該成果是“兼具潛在實際現實應用和基礎科學研究重要性的重大技術突破”，“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影響”。
“到目前為止，這是我一生中最重要的實驗研究成果。”已從事量子物理研究20多年，並獲得過國家自然科學一等獎的潘建偉說：“我們首次能在太空尺度對微觀物理學定律檢驗，而且為將來開展量子引力檢驗，探索物理學中的很多基本規律奠定了必要的技術基礎，打開了一扇大門。這些技術將來還能應用於建設量子網路。”
接下來，中國科學家還計劃利用量子衛星，在中國和奧地利的地面站之間實現量子祕鑰分發，在北京與維也納之間實現量子加密通話，此外，加拿大等國家也提出與中國合作開展相關實驗。
王建宇說：“目前‘墨子號’還只能晚上工作，我們希望未來發展技術，可以實現24小時都工作。現在衛星每天真正過境工作時間只有200至300秒，我們希望未來能發射中高軌衛星，使量子衛星走向實用。”
潘建偉還有更為長遠的目標，希望在地月之間建立30萬公里的量子糾纏，並研究引力與時空的結構。
“下一步，我們希望能在地月拉格朗日點上放一個光源，向人造飛船和月球分發量子糾纏。我們希望能夠通過對30萬公里或者更遠距離的糾纏分發，來觀測其性質的變化，對相關的理論作出解釋。”
據介紹，除了量子糾纏分發實驗外，“墨子號”量子科學實驗衛星的其它重要科學實驗任務，包括高速星地量子金鑰分發、地星量子隱形傳態等，也在順利進行中，預計今年會有更多的科學成果陸續釋出。（據新華社客戶端）
