世界第一顆量子科學(xué)衛(wèi)星“墨子號”衛(wèi)星再一次讓世界物理學(xué)界振奮。當(dāng)?shù)貢r間6月15日，世界頂級學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》以封面論文的形式報道了中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉團隊的最新成果：借助“量子號”，他們創(chuàng)下了世界量子糾纏分發(fā)距離的記錄，達到1200千米，實現(xiàn)了一個數(shù)量級上的突破。

一千公里外的量子糾纏再次否定了“貝爾不等式”，在大尺度空間上驗證了量子力學(xué)的正確性。下一步，潘建偉團隊希望發(fā)射更強力的衛(wèi)星，在白天實現(xiàn)遠距離量子糾纏分發(fā)。此外，該團隊還計劃在中國和奧地利之間實現(xiàn)洲際量子密鑰分發(fā)。

“這是通向全球量子保密通信、甚至是量子互聯(lián)網(wǎng)的第一步?！眾W地利維也納大學(xué)物理學(xué)家Anton Zeilinger如此評價道。Zeilinger正致力于推動歐空局發(fā)射第一顆量子科學(xué)衛(wèi)星。他說：“潘建偉團隊的論文證實了中國政府做了正確的決定。我個人堅信未來的互聯(lián)網(wǎng)是基于量子力學(xué)原理的?！?/p>

目前，美、加、歐、澳等地的多個團隊，都在醞釀發(fā)射量子科學(xué)衛(wèi)星，在空間內(nèi)進行量子力學(xué)研究。

“上帝擲骰子”？

量子是物理學(xué)中不可再分的基本單元，由德國物理學(xué)家普朗克在1900年首次提出。比如，光子就是量子性的，不存在“半個光子”的說法。

科學(xué)家們在量子這個維度的世界上，發(fā)現(xiàn)了許多奇妙的現(xiàn)象，經(jīng)典物理學(xué)在這個世界轟然崩塌。其中，量子糾纏就是一種奇妙的表現(xiàn)，愛因斯坦稱之為“鬼魅般的遠距作用”。處于糾纏態(tài)的兩個量子不論相距多遠都存在一種關(guān)聯(lián)，其中一個量子狀態(tài)發(fā)生改變（比如人們對其進行觀測），另一個的狀態(tài)會瞬時發(fā)生相應(yīng)改變，仿佛“心靈感應(yīng)”。而把兩個處于糾纏態(tài)的量子分發(fā)到兩處的操作，就叫量子糾纏分發(fā)。

量子力學(xué)的世界里另有一種奇妙的表現(xiàn)，疊加態(tài)。一個光子可以同時處于水平偏振和垂直偏振兩個狀態(tài)的疊加，就像薛定諤那只著名的“既生又死”的貓。而一旦對該光子的狀態(tài)進行測量，它就會隨機坍縮到其中一種狀態(tài)。

愛因斯坦反感這種“上帝擲骰子”一般的解釋，他認為，測量結(jié)果收到某種未知的“隱變量”的影響，被稱為愛因斯坦定域?qū)嵲谡?。為此，愛因斯坦和另一名物理學(xué)家玻爾爭論了半個世紀(jì)。

1964年，愛爾蘭物理學(xué)家貝爾想出了一個方法可以作為愛因斯坦和玻爾之間的裁判——“貝爾不等式”，該定理對于兩個分隔的粒子同時被測量時其結(jié)果的可能關(guān)聯(lián)程度建立了一個嚴格的限制。如果貝爾不等式不成立，就意味著量子力學(xué)不符合定域?qū)嵲谡?，愛因斯坦是錯的。

而驗證量子糾纏的存在，就是否定貝爾不等式的一種方式。長期以來，科學(xué)家們都想要在更大的空間尺度上實現(xiàn)量子糾纏，驗證量子力學(xué) 的正確性。

相距1200公里的量子糾纏

自上個世紀(jì)70年代以來，物理學(xué)家們開始嘗試遠距離量子糾纏分發(fā)。

早在2005年，潘建偉團隊就在合肥大蜀山實現(xiàn)了13公里的量子糾纏分發(fā)。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。

2012年，該團隊又在青海湖實現(xiàn)了首個超過102公里的量子糾纏分發(fā)實驗。

2016年，“墨子號”升空。其三大科學(xué)實驗任務(wù)之一，就是星地量子糾纏分發(fā)。衛(wèi)星將量子糾纏光源制備成對的糾纏光子分發(fā)到青海德令哈和云南麗江地面站，由這兩個相距1200公里的地面站對光子進行糾纏測量。

針對1000多對光子的測量結(jié)果以4倍標(biāo)準(zhǔn)偏差違背了貝爾不等式，也就是說，以超過99.9%的置信度在千公里距離上驗證了量子力學(xué)的正確性。

通向全球量子保密通信

除了在理論上驗證量子力學(xué)，對愛因斯坦和玻爾之爭給出答案之外，“墨子號”還打開了量子保密通信的大門。這些相距千里依然“糾纏”著的光子，可以作為兩地之間進行保密通信的量子密鑰。

潘建偉指出，他的團隊下一步是要在白天進行操作。在白天，來自太陽的干擾更多，可能會破壞量子糾纏態(tài)。因此，他希望未來能發(fā)射更多攜帶更強力光源的衛(wèi)星，并發(fā)射到更高的軌道上。在未來5年內(nèi)，潘建偉團隊計劃發(fā)射一批實用性質(zhì)的量子科學(xué)衛(wèi)星。

除了星地量子糾纏分發(fā)實驗之外，“墨子號”還有進行星地量子隱形傳態(tài)實驗和量子密鑰分發(fā)的任務(wù)。最終目標(biāo)，是要通過衛(wèi)星中轉(zhuǎn)，實現(xiàn)可覆蓋全球的量子保密通信。

而據(jù)《科學(xué)》雜志報道稱，首先，潘建偉希望通過分處于中國和奧地利的地面站來展現(xiàn)洲際量子密鑰分發(fā)的可行性。在這個實驗中，“量子號”在給中國地面站發(fā)送其中一半光子后，需要再控制住另一半光子，直到奧地利地面站出現(xiàn)在衛(wèi)星視野內(nèi)。此外，潘建偉還計劃從另一個地面站向衛(wèi)星傳輸量子態(tài)。

不過，新加坡國立大學(xué)的Alexander Ling注意到，潘建偉團隊這次在地面站上接收到的光子只有600萬分之一。雖然，考慮到衛(wèi)星每秒8公里的運行速度，這已經(jīng)是不錯的結(jié)果，但距離實踐量子通信還遠遠不夠。

Ling目前正在組織一批澳大利亞的物理學(xué)家，計劃在兩顆衛(wèi)星之間實現(xiàn)量子信息傳送。加拿大航空局最近也宣布出資支持一顆小型量子科學(xué)衛(wèi)星。歐洲和美國的團隊則提議把量子科學(xué)設(shè)施送上國際空間站，實現(xiàn)空間站和地面的量子糾纏分發(fā)。這樣的話，就能觀察引力場改變的情況下，量子糾纏態(tài)是否會受到影響。