墨子號量子衛星首次實現千公裡級量子糾纏分發

　　人民網合肥6月16日電（趙竹青）記者從中國科學院獲悉，近日，我國科學家在空間量子物理研究方面再次取得重大突破。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、國家天文台、紫金山天文台、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，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。相關成果於6月16日以封面論文的形式發表在國際權威學術期刊《科學》雜志上。

　　源於一個“英勇”的異想天開

　　“量子糾纏是物理學中的一個基本概念。”中科院院士、中國科學技術大學教授，量子科學實驗衛星首席科學家潘建偉告訴記者，量子糾纏被愛因斯坦稱之為“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，這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。”潘建偉說，量子糾纏分發就是把制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。通過觀察兩個點的統計測量結果是否破壞貝爾不等式，可以用來驗証量子力學非定域性的存在。“同時，利用量子糾纏所建立起的量子信道，也是構建量子信息處理網絡的基本單元。”

　　為了實現遠距離的量子分發，潘建偉團隊在2003年就提出了利用衛星實現遠距離量子糾纏分發的方案，“這在當時是一個異想天開、一個非常‘英勇’的想法，甚至有點悲壯的感覺。”回憶起十幾年前的起步，潘建偉感慨頗深。

　　有人支持，有人反對。潘建偉團隊在爭議中前行，隨后的幾年內，他們順著這一設想，經過艱苦攻關，克服重重困難，成功完成了地面上的一系列前期驗証。最終研制成功並在2016年發射了“墨子號”量子科學實驗衛星，在國際上首次於空間尺度上開展的量子糾纏分發實驗。

　　首次實現千公裡級量子糾纏分發

　　潘建偉介紹，“墨子號”量子科學實驗衛星過境時，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公裡。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，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。

　　“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。如果用過去的方法，需要三萬年才能送一個糾纏的光子到千公裡以外，現在用量子衛星能做到每秒送1個了。”潘建偉說，雖然這個數量還是有點“不夠用”，但至少從原理上已經實現了，以后再慢慢擴大傳輸量，就能實現用量子傳遞大量的信息了。

　　世界上最牛的成果之一

　　潘建偉說，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。

　　正因為此，《科學》雜志幾位審稿人稱贊該成果是“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”並斷言 “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”。

　　中國科學技術大學研究員、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回憶，2003年的時候，自己還是一個博士生，白發也沒有現在這麼多，“當時潘老師和我們描述量子通信的前景，我問潘老師，這個事是不是挺牛的？潘老師說，是世界上最牛的。作為一個年輕人能夠做這樣一件事情，我沒有理由拒絕。”

　　“當然后來做成了。感覺挺自豪，挺有成就感的。”彭承志說，從2003年參與項目開始算起，團隊用14年的努力証明了這件事在科學上是有意義的、在國際上是領先的，現在也有越來越多的人加入這一團隊來做這個事情，他感到非常欣慰。

　　“做了這個事情之后感覺到了一個新的層次，感到有更多的事情可以往下走。比如自由意志的驗証，以及和引力波探測結合等等。”彭承志表示，這項技術未來對國家、國際科學界非常有用，“即便未來再來一個14年，也是非常值得的。”

　　然而，潘建偉仍有著“嚴重的危機感”。他說，沒做成的時候有很多懷疑，現在花了這麼多時間做成了，國際上都紛紛表示要“盡可能趕上”。他說，現在就是爭分奪秒，盡可能地繼續保持領先，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。”潘建偉說。

　　“大團隊”的合作成果

　　潘建偉表示，該成果是由一個“大團隊”做出的。在中國科學院空間科學戰略性先導科技專項的支持下，潘建偉教授和他的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、國家天文台、紫金山天文台、國家空間科學中心等單位合作完成。

　　潘建偉認為，這個實驗的成功實施體現了建立量子信息國家實驗室的必要性。“我們在研究的過程中，需要各個單位的經驗。我們在這個合作過程中建立起來了很好的協同創新機制，也為未來建設多學科交叉、大規模科學探索找到一個非常好的方式。”

　　對此，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兼衛星系統總指揮王建宇也非常認同，他說，量子衛星是一個從天到地的天地一體化實驗體系，這一體系能夠很好地運轉，需要衛星與地面的協同工作，涉及到的部門非常多，“此次成果的獲得確實得益於現在的的科研體制，‘國家實驗室’確實是一個非常好的體制”。

　　彭承志說，作為世界領先的科研項目，墨子號體現了科學與工程的完美統一。“既要在科學上做到第一，同時，必須有工程方面的可靠支持。這是成功的一大關鍵。”他介紹，為了更好地實現科學目標，衛星的設計上做了很多努力，比如，將原先辦公桌大小的激光器，做到一個拇指那麼大，並且實現了自主可控。

　　技術走進千家萬戶還需要至少十年

　　潘建偉介紹，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發布。

　　潘建偉透露，“墨子號”在7月份左右還將會有一個展示，實現維也納到北京安全加密的視頻會議。“目前，技術上已經有很好的成熟性，此后再通過中高軌衛星的研究等，預計在十三五末能夠真正滿足現實中的保密通信的需要。“但如果說最終走到千家萬戶，可能還需要十年或者更長的時間。”