愛因斯坦和玻爾留給後人的世紀謎題
量子力學建立初期，「糾纏」這個現象就引起了所有物理學家的好奇，愛因斯坦將其稱之為「遙遠地點之間的詭異互動」。量子力學中的所謂糾纏是這樣一種現象：兩個處於糾纏態的粒子可以保持一種特殊的關聯狀態，兩個粒子的狀態原本都未知，但只要測量其中一個粒子，就能立即知道另外一個粒子的狀態，哪怕它們之間相隔遙遠的距離。過去的大半個世紀裡，這種現象背後的本質一直深深困惑著科學家們。
上世紀，關於糾纏現象的看法將物理學家劃分成了兩派：以玻爾為代表的哥本哈根學派認為，對於微觀的量子世界，所謂的「實在」只有和觀測手段連起來講才有意義；但愛因斯坦等科學家無法接受這種觀點，他們認為量子力學是不完備的，測量結果一定受到了某種「隱變量」的預先決定，只是我們沒能探測到它。1935年，愛因斯坦和Podolsky及Rosen一起發表了一篇題為 Can quantum mechanics description of physical reality be consideredcomplete 的文章，論證量子力學的不完備性，通常人們將他們的論證稱為EPR佯謬或者Einstein定域實在論。
玻爾和愛因斯坦為此爭論了50年，直到他們最後去世問題也沒有得到解決，一直吸引著後人想要去驗證。
如何驗證呢？
說到定域實在論，其實包含了兩方面的含義：第一，物理實在論：任何一可觀測的物理量必定客觀上以確定方式存在，如果沒有外界擾動，可觀測的物理量應具有確定的數值；第二，定域因果性：如果兩個事件之間的四維時空是類空間隔的，則兩個事件不存在因果關係。基於這個理解，1964年，愛爾蘭物理學家貝爾提出了著名的「貝爾不等式」，該定理對於兩個分隔的粒子同時被測量時其結果的可能關聯程度建立了一個嚴格的限制[1]。如果實驗上貝爾不等式不成立，則意味著從定域實在論出發的預期不符合量子力學理論，也就是說，量子世界本身就是概率性的。
一直以來，人們設計了各種實驗方案驗證貝爾不等式正確與否，陸陸續續地，一些實驗小組的結果傾向於支持貝爾不等式的破壞——即證明了量子力學的正確性。第一個真正確定性的實驗是由法國物理學家阿斯派克特做出的，他們在上世紀七十年代做出的三個實驗給出了量子力學非定域性的明確結論，但是最初的這些實驗驗證仍然存在漏洞。近年來不同國家的實驗小組都嘗試在實驗中逐步關閉了局域漏洞、自由選擇漏洞和探測效率漏洞，所有的實驗結果都支持量子力學的結論，證明定域實在論是錯誤的。
Bell不等式走出實驗室，飛向更遠處
Bell不等式的破壞在實驗室被驗證，那麼在更大的尺度上情況又如何呢？如果人們能在更遠的距離驗證量子糾纏的存在，也就意味著在更大的空間尺度上驗證量子力學的正確性。於是，人們想要帶Bell不等式往更遠的地方飛去。但是在更大尺度上進行實驗，存在一個攔路虎——衰減。這是什麼意思呢？在實際實驗中，人們常常用一種叫做「量子糾纏分發」的實驗驗證Bell不等式，它是把製備好的兩個糾纏粒子（通常為光子）分別發送到相距很遠的兩個點，通過觀察兩個點的測量結果是否符合貝爾不等式來驗證量子力學和定域實在論孰對孰非。由於製備和發送的是一對對單光子，量子的不可複製性又決定了單光子的信號是不可放大的，光纖固有的光子損耗導致光量子傳輸很難向更遠距離拓展。在地球表面，百公裡級別的量子糾纏分發幾乎已經是極限。
怎麼辦呢？有兩種方案，一種是利用量子中繼，一個個中繼站就有點像古時候的驛站，一段段地傳遞光子，但是目前來說量子中繼的研究還是受到了量子存儲的時間和效率限制；另一個方案就是利用衛星實現量子糾纏分發，外太空的真空環境對光的傳輸幾乎不存在衰減和退相干效應。星地間的自由空間信道損耗小，甚至理論上，利用衛星，科學家們可以在地球上的任意兩點之間建立起量子信道，有可能在全球尺度上實現超遠距離的量子糾纏分發。
可喜的是，這方面，中國人走在了世界前列。
早在2003年，中國的潘建偉團隊就提出了利用衛星實現遠距離量子糾纏分發的方案，並開始了初步驗證。團隊的研究人員認為，要想證明衛星實現量子糾纏分發這事可行，就必須要證明光子能在穿透大氣層後仍保持相干性，於是，他們開始在合肥大蜀山做實驗。這個實驗裡，發送方在大蜀山，兩個接收點分別在幾公裡之外的肥西農戶家和中科大西校區。實驗在國際上首次實現了水平距離13公裡（大氣層垂直厚度約為5-10公裡）的自由空間雙向量子糾纏分發，證明了在經過遠距離大氣信道傳輸之後糾纏態仍能「存活」，另一方面，這個傳輸距離超過了大氣層的等效厚度，證實了遠距離自由空間量子通信的可行性。
圖1 2005年水平距離13公裡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公裡量子態隱形傳輸。基於前期關鍵技術準備，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，潘建偉領導的中科院聯合研究團隊在青海湖實現了首個超過102km的量子糾纏分發實驗。實驗中衰減最高達80dB，一方面在更大尺度上驗證了經過大氣信道傳輸糾纏特性仍然存活，另一方面驗證了在衰減非常大的情況下糾纏特性能夠保持，進一步驗證了衛星-地面糾纏分發的可行性。
隨後的幾年，該團隊經過艱苦攻關，克服種種困難，最終研製成功了「墨子號」量子科學實驗衛星。在億萬人的目光中，於2016年8月16日成功將「墨子號」送入軌道。經過四個月的在軌測試，2017年1月18日正式交付開展科學實驗。
圖2 墨子號量子科學實驗衛星
星地量子糾纏分發作為「墨子號」衛星的三大科學實驗任務之一，是國際上首次在空間尺度上開展的量子糾纏分發實驗。
「墨子號」量子科學實驗衛星上有三臺光學有效載荷，量子糾纏光源製備成對的糾纏光子，並由兩臺光學天線發送。當衛星過境時，兩臺望遠鏡分別指向德令哈和麗江地面站，兩個地面站的接收系統按照衛星飛行角速度，隨著衛星轉動，使得衛星同時與兩個地面站建立量子信道，將糾纏光子發送到地面站。緊接著地面站對光子進行糾纏測量，符合統計數足夠多的情況下，即可驗證貝爾不等式成立與否。
此次實驗中，兩個地面站相距1200公裡，衛星到兩個地面站的總距離平均為2000公裡，地面站跟瞄精度達到0.4 urad，地面站系統接收效率大於20%。衛星上的糾纏源每秒可產生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，使得大量的統計數據可以在很短時間內得到。如果在這麼長的距離上用光纖傳輸光子，即使選用超低損耗光纖，分發一對光子需3萬年。
實驗中，兩個光子被拉開足夠大的距離，同時高精度的實驗技術保證兩地的獨立測量時間間隔足夠小，滿足了Bell不等式測量中「類空間隔」[2]的測量要求，關閉了局域性漏洞和測量選擇漏洞。實驗結果表明，以4倍標準偏差違背了貝爾不等式，也就是說，以超過99.9%的置信度在千公裡距離上驗證了量子力學的正確性。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。這一重要成果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。
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。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，預計今年會有更多的科學成果陸續對公眾發布。
註：
[1]Bell不等式有多種著名的推廣，考慮到實驗的現實因素，Bell不等式提出的五年後， John Clauser、Michael Horne、Abner Shimony、Richard A. Holt提出了一個CHSH不等式，後來的實驗中對Bell不等式的實驗主要就是驗證CHSH不等式。
[2]類空間隔是指兩事件的時空間隔滿足「兩事件之間不可能用低於光速的信息進行聯繫。
感謝中國科學技術大學合肥微尺度實驗室張文卓副研究員、鄒密及李東東對本文成文的幫助。
作者：林梅
編輯：白澤
來源：墨子沙龍
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