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量子通信向实际应用迈出大步
文章来源:解放日报 黄海华     发布时间:2017-06-17

视觉中国 供图

  “鬼魅般的远距作用”——近百年前,爱因斯坦对量子纠缠提出疑问

  当两个量子发生“纠缠”,一个变了,另一个也会“瞬变”,无论它们之间相隔多远。——如同“心灵感应”,这就是量子力学理论中神奇的“量子纠缠现象”

  这是一次爱因斯坦和玻尔的世纪之争在空间的检验。一个执着于隐变量理论,另一个执着于微观世界的观测结果。爱因斯坦不承认现实是非定域的或不确定的,他坚信任何物理效应都不可能以大于光速的速度传递。

  近日,中国科学技术大学潘建伟教授及其同事彭承志等组成的研究团队,联合中科院上海技术物理研究所王建宇研究组、微小卫星创新研究院、光电技术研究所、国家天文台、紫金山天文台、国家空间科学中心等,在中国科学院空间科学战略性先导科技专项的支持下,利用“墨子号”量子科学实验卫星在国际上率先成功实现了千公里级的星地双向量子纠缠分发,并在此基础上实现了空间尺度下严格满足“爱因斯坦定域性条件”的量子力学非定域性检验,在空间量子物理研究方面取得重大突破。这意味着量子通信向实际应用迈出一大步。相关成果6月16日以封面论文的形式发表在国际权威学术期刊《科学》杂志上。

  “当女朋友叫嚷着让你离开”

  量子纠缠是由量子叠加原理引申出来的。关于量子叠加,有一个很形象的比喻:当你的女朋友叫嚷着让你离开,你不知道是该安静离开还是上去抱紧她。如果把量子叠加原理用于多个量子的情况就是量子纠缠,它是两个(或多个)粒子共同组成的量子状态。

  无论粒子之间相隔多远,测量其中一个粒子必然会影响其他粒子,这被称为量子力学非定域性,是量子力学最神奇的现象之一。量子纠缠分发,就是把制备好的两个纠缠粒子(通常为光子)分别发送到相距很远的两个点。通过观察两个点的统计测量结果是否破坏贝尔不等式,可以在量子不确定性和爱因斯坦的定域性之间做出选择。

  由于量子纠缠非常脆弱,会随着光子在光纤内或者地表大气中的传输距离而衰减,以往的量子纠缠分发实验只停留在百公里的距离。

  为什么称之为“隐形”传输?

  潘建伟团队早在2003年就提出了利用卫星实现远距离量子纠缠分发的方案。因为星地间的自由空间信道损耗小,在远程量子通信中比光纤更具可行性,结合卫星的帮助,可以在全球尺度上实现超远距离的量子纠缠分发。但这种方式对精度要求极高,好比从万米高空飞机上扔下一连串硬币,在地面用存钱罐接住。

  2010年,团队在国际上首次实现了基于量子纠缠分发的16公里量子态隐形传输。量子态隐形传输是一种全新的通信方式,它传输的不再是经典信息,而是量子态携带的量子信息,是未来量子通信网络的核心要素。2012年,潘建伟领导的中科院联合研究团队在青海湖实现了首个百公里的双向量子纠缠分发和量子隐形传态,充分验证了利用卫星实现量子通信的可行性。随后,该团队经过艰苦攻关,克服种种困难,最终研制成功了“墨子号”量子科学实验卫星。

  星地量子纠缠分发作为卫星的三大科学实验任务之一,是国际上首次在空间尺度上开展的量子纠缠分发实验。通过在量子卫星上配置量子纠缠光源及两套发射望远镜,同时与青海德令哈站和云南丽江站两个地面站建立光链路,星地建立双向量子信道,将纠缠光子发送到地面站,由地面站对纠缠光子进行测量。卫星上的纠缠源载荷每秒产生800万个纠缠光子对,建立光链路可以使得相距1200公里以上的两个地面站之间以每秒一对的速度建立起量子纠缠。可别小看了这每秒一对的速度,如果使用传统的光纤链路,分发这么一对光子需要3万年。借助“墨子号”量子卫星,量子纠缠的传输衰减,仅仅是同样长度地面光纤最低损耗的一万亿分之一。

  量子卫星首席科学家潘建伟院士说,今年7月,将在北京和维也纳举行安全加密的视频会议,但大尺度量子网络进入千家万户还要10年甚至更长时间。

  “就让潘建伟疯狂一回吧!”

  加拿大滑铁卢大学物理学家托马斯·詹内怀恩说:“这是一个巨大的成就。他们很早就有了这个大胆超前的想法,并最终把它实现了”。潘建伟说,他非常感激2003年国家对远距离量子纠缠分发项目的支持,当时专家组尽管有不同的声音,但最后拍板“就让潘建伟疯狂一回吧!”量子卫星科学应用系统总师彭承志当时还是一头黑发,如今头发已经花白,“相当于抗日战争14年吧,经历了许多的困难,还是觉得很自豪的。”

  “我是做遥感工程出身,深感这样的大科学团队合作机制非常有利于成果产出。”量子科学实验卫星工程常务副总师王建宇介绍,刚开始做单点密钥分发,这相当于从合肥打一束光到北京,必须精准到哪一扇窗。这次的量子纠缠分发,是一颗卫星对准两个地面站,这样的精度要求是目前国际上最高的,相当于嫦娥在月球上划了根火柴,也能探测得到。

  尽管原定两年的在轨实验任务半年内就完成了,潘建伟依然充满危机感。“美国科学家说,虽然第一艘宇航飞船和第一个人造卫星都是苏联做出来的,但登月却是美国第一个实现。他们觉得只要努力,就可以在量子领域赶超中国。我们不敢懈怠。”潘建伟说。

  如果距离再远一些,量子纠缠是否仍然存在?潘建伟说,他们希望能在30万公里远的距离,继续检验量子力学。未来,可能会和探月工程相结合。 

  (原载于《解放日报》 2017-06-17 03版)

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