人民網(wǎng)合肥6月16日電（趙竹青）記者從中國科學(xué)院獲悉，近日，我國科學(xué)家在空間量子物理研究方面再次取得重大突破。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉教授及其同事彭承志等組成的研究團(tuán)隊(duì)，聯(lián)合中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所王建宇研究組、微小衛(wèi)星創(chuàng)新研究院、光電技術(shù)研究所、國家天文臺(tái)、紫金山天文臺(tái)、國家空間科學(xué)中心等，在中國科學(xué)院空間科學(xué)戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)的支持下，利用“墨子號(hào)”量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星在國際上率先成功實(shí)現(xiàn)了千公里級(jí)的星地雙向量子糾纏分發(fā)，并在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了空間尺度下嚴(yán)格滿足“愛因斯坦定域性條件”的量子力學(xué)非定域性檢驗(yàn)。相關(guān)成果于6月16日以封面論文的形式發(fā)表在國際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》雜志上。

源于一個(gè)“英勇”的異想天開

“量子糾纏是物理學(xué)中的一個(gè)基本概念?！敝锌圃涸菏俊⒅袊茖W(xué)技術(shù)大學(xué)教授，量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星首席科學(xué)家潘建偉告訴記者，量子糾纏被愛因斯坦稱之為“鬼魅般的超距作用”，它是兩個(gè)（或多個(gè)）粒子共同組成的量子狀態(tài)，無論粒子之間相隔多遠(yuǎn)，測量其中一個(gè)粒子必然會(huì)影響其它粒子，這被稱為量子力學(xué)非定域性。

“量子糾纏所體現(xiàn)的非定域性是量子力學(xué)最神奇的現(xiàn)象之一?！迸私▊フf，量子糾纏分發(fā)就是把制備好的兩個(gè)糾纏粒子（通常為光子）分別發(fā)送到相距很遠(yuǎn)的兩個(gè)點(diǎn)。通過觀察兩個(gè)點(diǎn)的統(tǒng)計(jì)測量結(jié)果是否破壞貝爾不等式，可以用來驗(yàn)證量子力學(xué)非定域性的存在。“同時(shí)，利用量子糾纏所建立起的量子信道，也是構(gòu)建量子信息處理網(wǎng)絡(luò)的基本單元?！?/p>

為了實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的量子分發(fā)，潘建偉團(tuán)隊(duì)在2003年就提出了利用衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離量子糾纏分發(fā)的方案，“這在當(dāng)時(shí)是一個(gè)異想天開、一個(gè)非常‘英勇’的想法，甚至有點(diǎn)悲壯的感覺?！被貞浧鹗畮啄昵暗钠鸩?，潘建偉感慨頗深。

有人支持，有人反對。潘建偉團(tuán)隊(duì)在爭議中前行，隨后的幾年內(nèi)，他們順著這一設(shè)想，經(jīng)過艱苦攻關(guān)，克服重重困難，成功完成了地面上的一系列前期驗(yàn)證。最終研制成功并在2016年發(fā)射了“墨子號(hào)”量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星，在國際上首次于空間尺度上開展的量子糾纏分發(fā)實(shí)驗(yàn)。

首次實(shí)現(xiàn)千公里級(jí)量子糾纏分發(fā)

潘建偉介紹，“墨子號(hào)”量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星過境時(shí)，同時(shí)與青海德令哈站和云南麗江站兩個(gè)地面站建立光鏈路，量子糾纏光子對從衛(wèi)星到兩個(gè)地面站的總距離平均達(dá)2000公里。衛(wèi)星上的糾纏源載荷每秒產(chǎn)生800萬個(gè)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公里的兩個(gè)站之間建立量子糾纏，千公里的空間尺度上實(shí)現(xiàn)了嚴(yán)格滿足“愛因斯坦定域性條件”的量子力學(xué)非定域性檢驗(yàn)。

“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。如果用過去的方法，需要三萬年才能送一個(gè)糾纏的光子到千公里以外，現(xiàn)在用量子衛(wèi)星能做到每秒送1個(gè)了。”潘建偉說，雖然這個(gè)數(shù)量還是有點(diǎn)“不夠用”，但至少從原理上已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了，以后再慢慢擴(kuò)大傳輸量，就能實(shí)現(xiàn)用量子傳遞大量的信息了。

世界上最牛的成果之一

潘建偉說，這一重要成果為未來開展大尺度量子網(wǎng)絡(luò)和量子通信實(shí)驗(yàn)研究，以及開展外太空廣義相對論、量子引力等物理學(xué)基本原理的實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)奠定了可靠的技術(shù)基礎(chǔ)。

正因?yàn)榇?，《科學(xué)》雜志幾位審稿人稱贊該成果是“兼具潛在實(shí)際現(xiàn)實(shí)應(yīng)用和基礎(chǔ)科學(xué)研究重要性的重大技術(shù)突破”并斷言 “絕對毫無疑問將在學(xué)術(shù)界和廣大的社會(huì)公眾中產(chǎn)生非常巨大影響”。

中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)研究員、量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星科學(xué)應(yīng)用系統(tǒng)總師兼衛(wèi)星系統(tǒng)副總師彭承志回憶，2003年的時(shí)候，自己還是一個(gè)博士生，白發(fā)也沒有現(xiàn)在這么多，“當(dāng)時(shí)潘老師和我們描述量子通信的前景，我問潘老師，這個(gè)事是不是挺牛的？潘老師說，是世界上最牛的。作為一個(gè)年輕人能夠做這樣一件事情，我沒有理由拒絕?！?/p>

“當(dāng)然后來做成了。感覺挺自豪，挺有成就感的?！迸沓兄菊f，從2003年參與項(xiàng)目開始算起，團(tuán)隊(duì)用14年的努力證明了這件事在科學(xué)上是有意義的、在國際上是領(lǐng)先的，現(xiàn)在也有越來越多的人加入這一團(tuán)隊(duì)來做這個(gè)事情，他感到非常欣慰。

“做了這個(gè)事情之后感覺到了一個(gè)新的層次，感到有更多的事情可以往下走。比如自由意志的驗(yàn)證，以及和引力波探測結(jié)合等等。”彭承志表示，這項(xiàng)技術(shù)未來對國家、國際科學(xué)界非常有用，“即便未來再來一個(gè)14年，也是非常值得的?！?/p>

然而，潘建偉仍有著“嚴(yán)重的危機(jī)感”。他說，沒做成的時(shí)候有很多懷疑，現(xiàn)在花了這么多時(shí)間做成了，國際上都紛紛表示要“盡可能趕上”。他說，現(xiàn)在就是爭分奪秒，盡可能地繼續(xù)保持領(lǐng)先，不要被別人超越。

“也希望能夠得到更多人的支持，讓我們做得更好。”潘建偉說。

“大團(tuán)隊(duì)”的合作成果

潘建偉表示，該成果是由一個(gè)“大團(tuán)隊(duì)”做出的。在中國科學(xué)院空間科學(xué)戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)的支持下，潘建偉教授和他的同事彭承志等組成的研究團(tuán)隊(duì)，聯(lián)合中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所王建宇研究組、微小衛(wèi)星創(chuàng)新研究院、光電技術(shù)研究所、國家天文臺(tái)、紫金山天文臺(tái)、國家空間科學(xué)中心等單位合作完成。

潘建偉認(rèn)為，這個(gè)實(shí)驗(yàn)的成功實(shí)施體現(xiàn)了建立量子信息國家實(shí)驗(yàn)室的必要性?！拔覀冊谘芯康倪^程中，需要各個(gè)單位的經(jīng)驗(yàn)。我們在這個(gè)合作過程中建立起來了很好的協(xié)同創(chuàng)新機(jī)制，也為未來建設(shè)多學(xué)科交叉、大規(guī)?？茖W(xué)探索找到一個(gè)非常好的方式?！?/p>

對此，中科院上海技術(shù)物理研究所研究員、量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星工程常務(wù)副總師兼衛(wèi)星系統(tǒng)總指揮王建宇也非常認(rèn)同，他說，量子衛(wèi)星是一個(gè)從天到地的天地一體化實(shí)驗(yàn)體系，這一體系能夠很好地運(yùn)轉(zhuǎn)，需要衛(wèi)星與地面的協(xié)同工作，涉及到的部門非常多，“此次成果的獲得確實(shí)得益于現(xiàn)在的的科研體制，‘國家實(shí)驗(yàn)室’確實(shí)是一個(gè)非常好的體制”。

彭承志說，作為世界領(lǐng)先的科研項(xiàng)目，墨子號(hào)體現(xiàn)了科學(xué)與工程的完美統(tǒng)一?！凹纫诳茖W(xué)上做到第一，同時(shí)，必須有工程方面的可靠支持。這是成功的一大關(guān)鍵?！彼榻B，為了更好地實(shí)現(xiàn)科學(xué)目標(biāo)，衛(wèi)星的設(shè)計(jì)上做了很多努力，比如，將原先辦公桌大小的激光器，做到一個(gè)拇指那么大，并且實(shí)現(xiàn)了自主可控。

技術(shù)走進(jìn)千家萬戶還需要至少十年

潘建偉介紹，除了量子糾纏分發(fā)實(shí)驗(yàn)外，“墨子號(hào)”量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星的其它重要科學(xué)實(shí)驗(yàn)任務(wù)，包括高速星地量子密鑰分發(fā)、地星量子隱形傳態(tài)等，也在緊張順利地進(jìn)行中，預(yù)計(jì)今年會(huì)有更多的科學(xué)成果陸續(xù)發(fā)布。

潘建偉透露，“墨子號(hào)”在7月份左右還將會(huì)有一個(gè)展示，實(shí)現(xiàn)維也納到北京安全加密的視頻會(huì)議?！澳壳埃夹g(shù)上已經(jīng)有很好的成熟性，此后再通過中高軌衛(wèi)星的研究等，預(yù)計(jì)在十三五末能夠真正滿足現(xiàn)實(shí)中的保密通信的需要?！暗绻f最終走到千家萬戶，可能還需要十年或者更長的時(shí)間。”

墨子號(hào)量子衛(wèi)星首次實(shí)現(xiàn)千公里級(jí)量子糾纏分發(fā)

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