【中国经济网】一场跨越千里的纠缠 2017-06-25

  1203公里!时隔10个月,“墨子号”量子科学实验卫星再传喜讯。中国科学院联合研究团队16日对外宣布,利用“墨子号”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,打破了此前国际上保持多年的“百公里级”纪录。

  这意味着“绝对安全”的量子通信飞入寻常百姓家,又近了一步。“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。”加拿大滑铁卢大学物理学家延内魏因(Thomas Jennewein)如是评价。

  “鬼魅般的超距作用”

  “处在特殊状态(纠缠态)的粒子,无论相隔多远,当对其中一个粒子进行操作或测量,身处远方的其他粒子会瞬时发生相应的改变。”

  这种“心灵感应”似的神秘关联,便是量子力学理论中神奇的“量子纠缠”现象。更通俗一点,量子纠缠,即两个(或多个)粒子共同组成的量子状态。何谓量子?它是构成物质的最基本单元,也是能量的基本携带者,人们所熟知的分子、原子、电子、光子等微观粒子, 皆是其表现形态之一。

  不同于我们以往的认识,一只猫非生即死,不能同时“又生又死”。根据潘建伟的解释,在量子世界中,当猫和我们没有相互作用的时候,它可以处于“生”和“死”同时叠加的状态,此时我们再去测量两只分处异地的猫,当确定其中一只为生时另外一只也为生,反之则为死,哪怕这两只猫相隔甚远。这就是典型的“量子纠缠”效应。

  近百年前,作为量子力学的鼻祖之一,爱因斯坦对这种“鬼魅般的超距作用”深表怀疑,在他看来,对一个粒子的测量不会对另一个粒子产生影响。以玻尔为代表的哥本哈根学派则持反对意见,他们认为对一个粒子的测量会瞬间改变另一个粒子的状态,这也就是物理学界所说的“量子非定域性”。

  究竟孰是孰非?过去的大半个世纪里围绕量子纠缠,物理学家们争论不休。上世纪70年代,法国物理学家阿斯派克特的三个实验曾给出了量子非定域性的明确结论,但是最初的这些实验验证仍然存在种种漏洞。量子纠缠“鬼魅般的超距作用”在更远的距离上是否仍然存在?会不会受到引力等其它因素的影响?这些基本物理问题的验证有赖于上千公里甚至更远距离的量子纠缠分发。

  此次实验,利用“墨子号”卫星从太空将一对相互纠缠的量子,一个发向青海德令哈站,另一个发向云南丽江站。“两个被分发的量子相距超过1200公里,高精度的实验技术又保证了两地的独立测量时间间隔足够小,结果以99.9%的置信度在千公里距离上验证了量子力学的正确性。实现了严格满足‘爱因斯坦定域性条件’的量子力学非定域性检验。”潘建伟称。

  这说明了什么?简单说,即便相距千里之遥,量子纠缠现象依然有效。

  实用化进程再提速

  当然,除了验证量子力学非定域性的存在,此番量子纠缠成功跨越千里,更重要的意义在于将量子通信实用化进程又向前推进了一大步。“利用量子纠缠所建立的量子信道,是构建量子信息处理网络的基本单元,而要构建广域的量子网络,第一步就是要实现远距离的量子纠缠分发。”潘建伟说。

  理想很丰满,现实很骨感。由于量子纠缠非常脆弱,远距离光纤传输一来损耗过大,二来与环境的耦合会使纠缠品质大大下降,近地传输过程中还会受到地面障碍物、地表曲率等影响。种种因素限制,此前国内外地面实验的量子纠缠分发距离一直停留在百公里量级。

  如何有效扩展量子纠缠分发的距离?理论上有两种途径。一种是利用量子中继,但目前由于受到量子存储寿命和读出效率等因素的严重制约,无法实际应用于远程量子纠缠分发。另一种是利用卫星向地面分发。

  “相比光纤,星地间的自由空间信道损耗小,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。”2003年,潘建伟团队提出利用卫星实现远距离量子纠缠分发的方案,2005年在国际上首次实现了水平距离13公里(大于大气层垂直厚度)的自由空间双向量子纠缠分发。2010年,又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。

  “咬住青山不放松”,潘建伟团队又向新目标发起了进攻。2016年8月16日,“墨子号”成功发射,卫星的科学任务之一即双向星地量子纠缠分发。实验结果表明,其量子纠缠的传输衰减,仅仅是同样长度最低损耗地面光纤的一万亿分之一。

  “这是世界上第一次实现千公里量级的量子纠缠。”根据潘建伟的说法,即便选用超低损耗光纤,将一对光子分发到千公里以外也得需要三万年的时间,现在有了“墨子号”卫星,每秒已经可以分发一对光子。“虽然这个传输数量目前还有点少,但慢慢扩大传输量,用量子传递大量信息并非遥不可及。”

  规模化应用或需10年

  从百里到千里,量子纠缠分发距离的这一跨越,有多难?量子卫星工程常务副总师兼卫星总指挥王建宇打了个比方:如果把光量子看成一个个1元硬币,星地量子分发就相当于从万米高空飞行的飞机上,不断把上亿个硬币准确投入持续旋转的储蓄罐狭小的投币口中。

  这种星地间“针尖对麦芒”的远距离量子纠缠分发对精度要求极高,“光子是光里最小的单位,要探测到每个光子,就像在地球上,要看到月球上划亮的一根火柴。”王建宇说。

  正因为此,《科学》杂志几位审稿人称赞该成果是“兼具潜在实际现实应用和基础科学研究重要性的重大技术突破”,并断言“绝对毫无疑问将在学术界和广大的社会公众中产生非常巨大影响”。“这是量子卫星上天以来迄今为止发布的最大成果。”在潘建伟看来,这一重要成果为未来开展大尺度量子网络和量子通信实验研究,以及开展外太空广义相对论、量子引力等物理学基本原理的实验检验奠定了可靠的技术基础。

  “目前量子通信技术已有很多突破,随着中国科技的迅猛发展,相信量子通信‘十三五’期间能够真正实现保密通信的需要。但绝对安全的量子通信规模化应用,飞入寻常百姓家可能还得需要10多年甚至更长的时间。”潘建伟透露,除了量子纠缠分发实验外,“墨子号”量子科学实验卫星的其它重要科学实验任务,包括高速星地量子密钥分发、地星量子隐形传态等,也在紧张顺利地进行中。

  今年5月,潘建伟团队研发的世界上第一台超越早期经典计算机的光量子计算机问世。按照计划,今后我国还将陆续发射多颗量子卫星,力争在2030年前后率先建成全球首个天地一体化的实用性广域量子通信网络。(经济日报·中国经济网记者  沈慧)

 

2017年06月17日 中国经济网 

 http://www.ce.cn/xwzx/gnsz/gdxw/201706/17/t20170617_23679757.shtml


     
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