量子通信研究 中國繼續領跑

2020-12-03 中國政府網

千餘公裡之外，量子糾纏還在。中國實驗回答愛因斯坦之惑
量子通信研究 中國繼續領跑

6月16日，我國科學家利用「墨子號」量子科學實驗衛星在國際上率先成功實現了千公裡級的星地雙向量子糾纏分發，並在此基礎上實現了空間尺度下嚴格滿足「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絡和量子通信實驗研究，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。

這項成果是中國科學技術大學教授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、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，在中國科學院空間科學戰略性先導科技專項的支持下研究發布的。同日，相關成果以封面論文的形式發表在國際權威學術期刊《科學》雜誌上。

兩個糾纏在一起的量子，相隔多遠都可瞬間互相影響

2016年8月16日，我國成功發射首顆量子科學實驗衛星「墨子號」，這是中國科學院空間科學先導專項首批科學實驗衛星之一。

量子是物理世界裡最小的、不可再分割的能量單位。量子糾纏是量子的兩個奇妙特性之一。「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。兩個糾纏在一起的量子就好比是一對有心電感應的雙胞胎，不管兩人距離多遠，千公裡量級或者更遠，只要當其中一個人的狀態發生變化時，另一個人的狀態也會跟著發生一樣的變化。」潘建偉說，「這種現象被稱為量子力學非定域性。量子糾纏所體現的非定域性是量子力學最神奇的現象之一。」

愛因斯坦稱量子糾纏為「鬼魅般的超距作用」，他認為這種效應的產生可能是由某種人們目前可能還暫時無法理解的所謂「隱變量」操縱的。那麼，愛因斯坦到底說得對不對呢？

1964年，物理學家約翰·貝爾提出了一個實驗方案，能夠進行檢驗。「這也就是量子糾纏分發實驗。讓一臺機器把製備好的一對對糾纏粒子（通常為光子）不斷分別向兩個方向發射，然後隨機沿著不同的角度，分別對糾纏光子的偏振方向進行測量。」中國科技大學研究員、量子科學實驗衛星科學應用系統總師兼衛星系統副總師彭承志說，「如果測量結果滿足貝爾不等式的話，說明愛因斯坦是對的；否則，證明量子力學非定域性是真實存在的。」

驗證量子糾纏在更遠距離是否存在，要到太空去實驗

在量子糾纏分發實驗中，為了保證測量事件的類空間隔，科學家總是要將兩個探測裝置相隔一定距離放置。他們每做完一輪實驗都會想，如果距離再遠一些，量子糾纏是否仍然存在？

然而，由於量子糾纏非常脆弱，它會隨著光子在光纖內或者在地表大氣中的傳輸距離而衰減。也就是說，如果在地面做這個實驗，傳輸的距離就不可能太長。

「即使採用目前最先進的理想單光子探測器，在1200公裡光纖中進行點對點量子通信，每3萬年也只能傳輸一個比特。就好比一支擁有100萬人的隊伍，到最後可能只剩下幾個人，花了很長時間才能抵達目的地。」潘建偉說，「這導致了在遠距離上信息傳遞效率很低，所以之前的量子糾纏分發實驗只停留在百公裡的距離。」

怎樣才能使量子糾纏分發的距離進一步擴展到更遠呢？潘建偉說，目前理論上有兩種途徑。一種是利用量子中繼，即分成若干段傳輸來降低每一段的損耗，用「量子接力」的方式解決這一難題。但是，目前這種途徑仍然受到量子存儲壽命和讀出效率等因素的嚴重製約而無法實際應用。

「另一種就是利用衛星平臺。因為在太空中，衛星軌道附近基本上是真空，大部分空氣都貼在地球表面。所以，從太空中向地面發射糾纏光子，受到的幹擾會比較小，損耗也小，結合衛星的中轉，有望在全球尺度上實現超遠距離的量子糾纏分發。」潘建偉說，「我們研究團隊決定選擇用這種途徑來擴展量子糾纏分發的距離，並於2003年就提出了利用衛星實現遠距離量子糾纏分發的方案。」

衛星過境時，在1200公裡間實現星地雙向量子糾纏分發

此次實驗是如何進行的？

「『墨子號』過境時，同時與青海德令哈站和雲南麗江高美古站兩個地面站建立光鏈路。」中科院上海技術物理研究所研究員、量子科學實驗衛星工程常務副總師、衛星系統總指揮王建宇說，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公裡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。

潘建偉說：「在關閉局域性漏洞和測量選擇漏洞的條件下，我們獲得的實驗結果以4倍標準偏差違背了貝爾不等式，即在千公裡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。」

《科學》雜誌的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」。

潘建偉表示，運用所發展的量子糾纏分發技術，研究團隊正在開展實驗創建密鑰，以實現天地間的信息傳輸。目前量子通信的一個主要的挑戰是，如何在白天有大量光量子的情況下分辨並接收到量子衛星的信號，以實現量子通信。「墨子號」衛星的其他重要科學實驗任務，包括高速星地量子密鑰分發、地星量子隱形傳態等，也在緊張順利地進行中，預計今年會有更多科學成果陸續發布。（記者 吳月輝）

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