“墨子號”的量子糾纏証實了“幽靈作用”可以延綿千裡

 6月15日，德令哈量子衛星地面站的科研人員李雙林在整理實驗數據。（冀澤/新華社）

6月15日，在烏魯木齊南山觀測站，“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）。（金立旺/新華社）

　　美國《科學》雜志封面。（金立旺/新華社）

　　升空整整10個月之后，“墨子號”終於再次傳來好消息，當地時間6月15日，美國《科學》雜志以封面論文形式，報道了中國“墨子號”量子衛星首次實現上千公裡量子糾纏的消息，相較於此前144公裡的最高量子傳輸距離紀錄，這次跨越意味著絕對安全的量子通信離實用又近了一步。

　　空間尺度上實現“鬼魅般的超距作用”

　　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隻停留在百公裡的距離。量子糾纏“鬼魅般的超距作用”在更遠的距離上是否仍然存在？會不會受到引力等其他因素的影響？這些基本物理問題的驗証都需要實現上千公裡甚至更遠距離的糾纏分發﹔另一方面，要實現廣域的量子網絡也自然要求遠距離的糾纏分發。

　　理論上有兩種途徑可以擴展量子糾纏分發的距離。一種是利用量子中繼，盡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存儲壽命和讀出效率等因素的嚴重制約而無法實際應用於遠程量子糾纏分發。另一種是利用衛星，因為星地間的自由空間信道損耗小，在遠程量子通信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。

　　但棘手的問題在於，糾纏態的量子會在通過空氣等介質的時候急劇衰減。所以，目前量子密鑰的最長距離也就隻有幾百公裡。作為解決辦法，量子中繼器能夠通過放大量子信號的方式延展網絡的覆蓋范圍，但這一技術尚未成熟。許多物理學家於是夢想通過衛星在幾乎真空的太空環境中傳輸量子信號。

　　實驗相當於“從地面上及時看到有人在月球上擦火柴”

　　這次接收量子信號的兩個地面站分別是青海德令哈站和雲南麗江高美古站，兩地相距1203公裡，衛星的工作高度約為500公裡。

　　而在每晚僅有5分鐘的時間窗口期間之內，研究團隊要保証做到兩地可以同時接收到衛星所發出來的信號，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。

　　但實驗操作本身並不容易，研究團隊必須克服許多障礙，例如，衛星以約每秒8公裡的速度在太空中飛行，科學家需要想方設法將衛星發回的光子束聚焦在地面站上。

　　新加坡國立大學物理學家亞歷山大·林說：“這是一項非常具有挑戰性的任務，也非常值得嘗試。”這種方式對精度要求極高，好比有人在月球上擦一根火柴，在地面用望遠鏡必須及時捕捉到。

　　5年內或出現真正實用“量子衛星”

　　“在接下來的5年裡，我們計劃推出一些真正實用的量子衛星。”該項目負責人、中國科學院院士潘建偉說，“這項工作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。”

　　潘建偉團隊的成果迅速引起世界關注。

　　美國麻省理工學院凱克極限量子信息理論中心主任塞思·勞埃德說：“這項實驗表明遠距離量子通信確實在技術上可行，讓人們看到了在不久的未來構建遠程量子通信的希望。”

　　曾推動歐洲航天局的量子衛星研發計劃的奧地利物理學家塞林格表示，潘建偉團隊証明“中國做出了正確的決定”，“我個人認為，未來的互聯網將建立在量子理論的基礎之上”。

　　目前，世界各國也在加快其量子空間實驗研發腳步：澳大利亞的物理學家們合作一個在兩顆衛星之間發送量子信息的項目﹔加拿大航天局最近宣布將資助小型量子衛星的研發項目﹔歐洲和美國的研究團隊計劃將量子儀器帶上國際空間站。

　　“‘墨子號’目前隻能在夜間環境下工作”，潘建偉表示，除了量子糾纏分發實驗外，“墨子號”量子科學實驗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，預計今年會有更多的科學成果陸續發布。他呼吁，為使我國的團隊可以繼續領跑世界，希望國家嘗試發射更多的衛星，這些衛星能夠發出更強、雜質更少的光束，甚至在陽光照射下也能檢測到，量子衛星通信的願景愈發清晰。（記者 吳長鋒）