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中國「墨子號」衛星實現千公里級量子糾纏分發

中國「墨子號」衛星實現千公里級量子糾纏分發

據新華社電 從百公里到千公里,「墨子號」量子衛星將量子糾纏分發的世界紀錄提高了一個數量級。15日美國《科學》雜誌以封面文章形式發布了「墨子號」量子衛星的重大成就,並在一份簡介中將這項科學家獨立完成的工作稱為「一項里程碑式的研究」。

在《科學》雜誌封面上,「墨子號」從星空向地面發出兩道光,宛如兩條長腿跨出一大步,也象徵量子通信向實用邁近一大步。雜誌刊發了科學技術大學教授、量子衛星項目首席科學家潘建偉等人的論文,題為《基於衛星的糾纏分發距離超過1200公里》。

論文說,通過「墨子號」向地面發射光子,每對處於糾纏狀態的光子中的一個發向青海德令哈站,另一個發向雲南麗江站,兩個地面站之間的距離達到1203公里。這是世界上首次實現千公里量級的量子糾纏。

首先,我們要搞懂什麼是量子糾纏。量子糾纏是一種奇特的量子力學現象,通俗地說,兩個處於糾纏狀態的量子就像有「心靈感應」,無論相隔多遠都可瞬間互相影響,愛因斯坦稱之為「鬼魅般的遠距作用」。

量子糾纏分發,就是將一對有「感應」的量子分置於兩地。這尤其適用於保密通信,在此基礎上的量子通信技術被譽為信息安全的「終極武器」。

要讓量子通信實用化,需要實現量子糾纏的遠距離分發。但量子地面傳輸無論通過光纖或大氣都有較大信號損耗,此前國內外地面實驗傳輸距離一直停留在一百公里量級。解決這個問題的一個有效辦法就是利用衛星向地面分發。

作為世界首顆量子科學實驗衛星,「墨子號」星地糾纏分發的傳輸衰減僅是同樣距離地面衰減的萬億分之一。但這種方式對精度要求極高,好比從萬米高空飛機上扔下一連串硬幣,在地面用存錢罐接住。

「墨子號」在相距1203公里的德令哈站和雲南麗江站之間實現量子糾纏分發,首次將量子糾纏分發的世界紀錄從百公里提高到千公里量級。「墨子號」科學應用系統總設計師彭承志說:「這是量子衛星上天以來迄今為止發布的最大成果。」

潘建偉對記者說:「這項工作為未來開展大尺度量子網路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。」

《科學》雜誌在一份簡介中將這項科學家獨立完成的工作稱為「一項里程碑式的研究」。論文審稿人認為,這一成果是「兼具潛在實際應用和基礎科研重要性的重大技術突破」、「毫無疑問將在學術界和廣大社會公眾中產生非常巨大的影響」。

○鏈接

量子衛星「墨子號」

量子衛星「墨子號」是自主研製的世界上首顆空間量子科學實驗衛星,於2016年8月16日發射升空,是中科院空間科學先導專項首批科學實驗衛星之一。

量子衛星的主要目標之一是進行星地高速量子密鑰分發實驗,並在此基礎上進行廣域量子密鑰網路實驗,以期在空間量子通信實用化方面取得重大突破。同時,量子衛星在空間尺度進行量子糾纏分發和量子隱形傳態實驗,將使人類首次具有在空間尺度開展量子科學實驗的能力,成為在基礎物理學領域對世界的又一重要貢獻。

據新華社

○解讀

證實「鬼魅般超距作用」回答愛因斯坦「百年之問」

「鬼魅般的超距作用」——近百年前,愛因斯坦對量子糾纏提出疑問,激勵著幾代科學家不斷研究驗證。科學探索的過程,也催生了「量子革命」,孕育出激光、半導體、核能等革命性技術,改變人類文明進程。

在新時期,越來越多科學家投身其中。科學院聯合研究團隊,在中科院空間科學戰略性先導科技專項的支持下,近日利用「墨子號」量子衛星在國際上率先成功實現了千公里級的星地雙向量子糾纏分發,被國際同行稱為「處於世界領先地位」。

愛因斯坦也「百思不得解」

當兩個量子發生「糾纏」,一個變了,另一個也會「瞬變」,無論它們之間相隔多遠。——如同「心靈感應」,這就是量子力學理論中神奇的「量子糾纏現象」。

近百年前,作為量子力學的開創者之一,愛因斯坦也「百思不得解」。由於當時缺乏檢驗能力,他認為,或許是量子理論「還不完備」。

一代一代的學者對這種「鬼魅般的超距作用」進行研究,但由於量子糾纏「太脆弱」,會隨著光子在光纖內或地表大氣中的傳輸距離而衰減,以往的實驗只停留在百公里距離,量子糾纏仍然存在「漏洞」。

6月16日,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宣布,日前利用「墨子號」量子衛星在國際上率先成功實現了千公里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。國際權威學術期刊《科學》以封面論文的形式發表了該成果。

這也就是說,通過「墨子號」衛星,從太空將一對相互「糾纏」的量子「分發」到青海德令哈和雲南麗江兩個地面站,通過數千對量子的實驗檢驗,發現在兩個相距超過1200公里的實驗站之間,量子的「糾纏效應」仍然有效。

科學家用嚴格的科學實證,回答了愛因斯坦的「百年之問」。

2003年開始,潘建偉團隊就開始實驗長距離量子糾纏。從13公里到100公里,他的團隊一步一步走來,始終處於國際引領位置。最終通過太空中的「墨子號」衛星,把科學家一直假想的實驗變成了現實。

實驗須「上天」,為現代物理提供全新探索技術

數百年前,伽利略架設起人類歷史上第一台天文望遠鏡,從此開啟了天文學的新時代。「墨子號」實驗成果也提供了一種全新探索手段,將為物理學的未來打開一扇門。

我們身處的時空是連續的嗎?愛因斯坦、波爾等科學巨擘為我們描述的宇宙哪一個更加真實?「從前沒有技術能力來做這樣的檢驗。」中科大微尺度物質科學國家實驗室研究員彭承志說,比如,讓光子走過很遠的距離,如果空間是不平滑的,就會產生振動。通過測量光子的偏振,反過來可以驗證哪個物理學的理論模型更準確。

不過,這種觀測的能量和尺度,不是地面實驗室條件可以完成的。在理論物理學界,陸續有學者提出,可以通過天文學上的觀測來檢驗這些物理原理,讓現代科學大廈的基座更加堅實。

潘建偉說,「墨子號」的最新實驗成果,為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。

除了科學基礎研究的重要作用之外,實驗結果也有實際應用價值。

「可以通過遠距離量子糾纏來分發量子秘鑰,進而構建量子網路。」潘建偉說,把1個光子送到北京,1個光子送到合肥,二者距離1000多公里,這樣就可以在北京、合肥之間建立很好的量子通道,進行量子保密通信。

「墨子號」星地傳送距離約1200公里,也不算很遠,為什麼不在地面上做實驗?潘建偉解釋,因為光子通過地面光纖傳輸時,損耗很大,光纖會「吃掉」部分信號。普通信號削弱了可以放大,但量子糾纏的信號無法放大。

「量子糾纏如果用光纖傳送,把目前能想象到的、全世界最好的光纖都集中起來,架設1200公里,測算結果是大概3萬年才能傳送1個光子。」潘建偉說,通過衛星從外層空間傳送光子,損耗能減至萬億分之一,目前1秒鐘就能傳送1個光子,很快可以累積足夠的實驗數據。

迎接「第二次量子革命」,挺進最前沿

「墨子號」最新實驗成果16日在《科學》上發表時,這家國際權威學術期刊的幾位審稿人斷言,「毫無疑問將在學術界和廣大的社會公眾中產生非常巨大的影響」。

美國波士頓大學量子技術專家謝爾吉延科評價,這是一個英雄史詩般的實驗,研究人員的技巧、堅持和對科學的奉獻應該得到最高的讚美與承認。

加拿大滑鐵盧大學量子技術專家延內魏因說,國際上確實存在量子科研競賽。這個團隊已克服了好幾個重大技術與科學挑戰,清楚地表明了他們在量子通信領域處於世界領先地位。

據了解,類似的實驗,歐盟、加拿大、日本都有科學家在呼籲和推進,或因技術積累不夠,或因資金支持不夠,目前進展緩慢。

「這是我目前為止做過的最好的科學成果。」潘建偉說。他把量子研究的突飛猛進歸功於「集中力量辦大事」的優勢:中科院上海技術物理研究所、微小衛星創新研究院、光電技術研究所、國家天文台、紫金山天文台、國家空間科學中心……「墨子號」衛星的每一個部件都凝聚了各個科研機構的心血。

以量子衛星的最新實驗成果為代表,正在挺進量子研究的最前沿。今年5月,潘建偉團隊研發的世界上第一台超越早期經典計算機的光量子計算機問世。未來不久,將構建起全球首個天地一體化的實用性廣域量子通信網路。

去年年末,英國政府發布的《量子時代的技術機遇》報告中統計,在量子科技的論文發表上排在全球第一、專利應用排名第二。在「第二次量子革命」的起步階段,異軍突起進入「領跑陣營」。

據新華社

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