【文汇报】“这是我迄今最重要的成果” 2017-06-25

———潘建伟院士详解“墨子号”量子科学实验卫星首个重磅成果

 

6月16日国际权威学术期刊《科学》用封面形式发表了中国科学技术大学教授、量子卫星项目首席科学家潘建伟团队题为《基于卫星的纠缠分发距离超过1200公里》的相关论文。图为潘建伟在中国科学技术大学理化大楼报告厅作成果介绍。本版记者谢震霖摄
   ■本报首席记者 许琦敏
  

站在中国科学技术大学理化大楼报告厅的中央,中科院院士潘建伟难掩内心的欣喜。今天,国际权威学术期刊《科学》以封面文章,刊发了全球首颗量子科学实验卫星“墨子号”上天以来的首个重大成果———在太空中回应量子力学的百年之争。
  

 “这是我迄今最重要的成果!”潘建伟从未如此高调地评价过自己的成绩,即使他和同事的成果曾六次入选英国物理学会评选的“年度物理学重大进展”、五次入选美国物理学会评选的“年度物理学重大事件”、入选过英国《自然》杂志评选的“百年物理学21篇经典论文”,也曾被美国《科学》杂志评为“年度十大科技进展”。
 

  “‘墨子号’是一种全新的科学研究工具,用它可以推开一扇扇我们甚至还没想象出的科学之门。”潘建伟在接受媒体采访时说,现在还只是锋芒初试。
  

把实验室搬到天地之间
  

量子之间“鬼魅般的超距作用”是否存在,是“玻尔-爱因斯坦论战”的焦点。爱因斯坦认为,这种状态不应该存在,因为这让量子力学处于不完备的状态,是一个成熟的理论体系不能容忍的。可玻尔却认为,量子力学就是这样的。他们谁正确呢?物理学家尝试过许多次实验,不过都无法满足一个苛刻的条件———爱因斯坦定域性条件。
  

这个条件为何如此难以满足? 因为爱因斯坦认为,要确认两个量子纠缠之间的“超距作用”没有“作弊嫌疑”,就必须让两个相互纠缠的量子分开,相隔的距离要比测得两个光子状态的时间乘以光速要远———这才可以证明,没有“超距作用”之外的任何信号帮忙把一个量子的信息传给另一量子,因为没有什么粒子可以超过光速“奔跑”。
  

 由于光子从进入探测器到仪器测出结果,需要一定时间,所以要实现爱因斯坦界定的条件,两个纠缠态量子必须分开足够远。“这在地面上很难实现。”潘建伟说,因为光子在光纤中会被大量吸收,而量子纠缠的信号一旦衰减就无法放大,所以即使用目前世界上最好的光纤,也得需要一万亿秒才可能将一个光子送达目标,这显然是无法忍受的。
  

然而光子穿透大气,损耗要小得多。于是,潘建伟想到了利用卫星与地面基站,建立一个天地尺度的大实验室,进行一次人类从未尝试过的实验。
  

庆幸自己回到了中国
  

“我刚提出这个设想时,几乎没人相信这事可以做成。”潘建伟说,他庆幸自己从奥地利回到了中国,“当时中国已经在航天、卫星设计方面有了相当积累,当我提出科学需求,很多团队都汇聚到一起,为同一个目标而努力。”
  

2003年,潘建伟团队最早提出利用卫星实现远距离量子纠缠分发的方案,此后他们不断验证着方案的可行性。2011年底,中科院战略性先导科技专项“量子科学实验卫星”正式立项,航天载荷、卫星设计等各方力量都因这颗卫星而凝聚。
  

 从500公里的高空向地面基站发射光子,就好像在飞机上将一个一元大小的硬币,投入地面上一个旋转着的储蓄罐的投币口中。正因有了优秀的载荷和地面量子终端,“墨子号”卫星在今年1月18日正式开展实验后,立刻收到了高质量的数据。潘建伟兴奋地说,原本准备做一年的实验,两个月就完成了。
  

 天地实验过程中,“墨子号”卫星每天经过地面站一次,每次300秒,卫星以每秒一对的速度,向地面站发送纠缠量子对。潘建伟说,他们很快积累了几千个数据,相当精确地计算出了贝尔不等式的值为2.39士0.09。
  

 贝尔不等式是英国物理学家贝尔为验证量子力学完备性而推导出的一个公式:如果实验得到的值小于等于2,那么爱因斯坦的观点是对的;如果在2-2.828之间,则玻尔赢了。
  

 “新工具”开启更多可能
 

  其实,量子科学实验卫星上的三大科学实验全部都已成功完成,其他成果还将在今年陆续发布。继中国“墨子号”之后,国际上掀起了一股量子空间实验的热潮:欧盟启动量子实验卫星项目,加拿大也已为量子卫星立项,美国科学家也呼吁恢复量子卫星项目,日本、德国等也开始跟进。
  

 中国在这一领域占到了先机,潘建伟非常开心。因为,“墨子号”的作用不仅仅是这三大科学实验,它还可以通过测量光子跑过长距离之后的极化变化,来检验量子引力模型———这也是量子力学的前沿问题;它也可以测量量子纠缠在引力影响下的衰退状况,这对人类通过引力波认识宇宙,将大有帮助;根据普朗克的预测,时空可能并不是连续的,而是存在很多小间隙,它还可以尝试验证时空的连续性……潘建伟说,每一种新工具的诞生,都会为人类认识自然、解决科学问题,带来很多新的可能性。
 

  潘建伟透露,接下来将尝试在北京与维也纳之间开展密钥分发和量子加密通话,此外还将尝试让卫星可以24小时开展工作。“未来我们还想发射中高轨卫星,使现在一天仅几分钟的实验时间可以进一步延长,甚至全天候工作。”他说,这次量子纠缠的检验实验还有终极目标未能达成———最令人信服的随机数应该由人产生,而人产生随机数的时间在100-200毫秒之间,因此量子纠缠分发的距离需要拓展到至少几万公里。
   (本报合肥6月16日专电)
 

文汇报2017年6月17日
 http://wenhui.news365.com.cn/html/2017-06/17/content_565246.html


     
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