世界第一顆量子科學衛(wèi)星“墨子號”衛(wèi)星再一次讓世界物理學界振奮。當?shù)貢r間6月15日，世界頂級學術(shù)期刊《科學》以封面論文的形式報道了中國科學技術(shù)大學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。”奧地利維也納大學物理學家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)是基于量子力學原理的。”

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

“上帝擲骰子”？

量子是物理學中不可再分的基本單元，由德國物理學家普朗克在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)生相應改變，仿佛“心靈感應”。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)嵲谡摗榇耍瑦垡蛩固购土硪幻锢韺W家玻爾爭論了半個世紀。

1964年，愛爾蘭物理學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，就意味著量子力學不符合定域?qū)嵲谡摚瑦垡蛩固故清e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 的正確性。

相距1200公里的量子糾纏

自上個世紀70年代以來，物理學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倍標準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，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，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》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衛(wèi)星。歐洲和美國的團隊則提議把量子科學設(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。