墨子號打破“超距作用”紀錄

LeeBillings

這是一次具有里程碑意義的研究，中國科學(xué)家利用“墨子號”實驗衛(wèi)星，首次實現(xiàn)了千公里級的量子糾纏。衛(wèi)星向3個地面基站發(fā)送成對的糾纏光子，而每一個基站之間都相距超過1200公里。這次的實驗改變了量子理論長久以來的神秘，堅實地奠定了中國在迅速發(fā)展的“量子空間競賽”中的領(lǐng)先地位。創(chuàng)造了安全、以量子為基礎(chǔ)的全球通訊網(wǎng)絡(luò)。而潛在免受黑客侵擾的“量子網(wǎng)絡(luò)”將形成巨大的地緣政治意義。日內(nèi)瓦大學(xué)的物理學(xué)家NicolasGisin表示，中國已經(jīng)取得了量子通訊上的領(lǐng)先地位，并且此次衛(wèi)星通訊試驗的成功證明了全球量子通訊的可行性，在不久的將來會得以實現(xiàn)。

量子通訊的概念被認為是通訊安全的最佳選擇，其中有一部分是因為任何泄密監(jiān)聽都會在傳輸過程中留下痕跡。傳統(tǒng)加密信息需要密鑰才能進行解密，而這些密鑰當(dāng)被傳入以太空間后，是極容易被竊取的。然而，在量子傳輸中，這些密鑰可以被編碼為不同量子狀態(tài)的糾纏光子，并且當(dāng)一個信息被竊聽者竊取后，這些狀態(tài)會無法避免地被改變。

量子中繼器

在墨子號出現(xiàn)以前，科學(xué)家們通過量子中繼器實現(xiàn)光子信號的傳輸。量子中繼器是通過糾纏制備、糾纏分發(fā)、糾纏純化和糾纏交換來實現(xiàn)中繼功能的轉(zhuǎn)換器?？墒牵孔又欣^器一定要從兩個不同的位置接收光子，并將它們儲存在量子存儲器中，之后在發(fā)送進一步的信號之前，兩個光子直接互相干預(yù)。美國伊利諾伊大學(xué)香檳分校的物理學(xué)家PaulKwiat這樣說到：“可實際上，你必須在沒有測量到它們的時候就存儲光子。這就有點像，你知道郵件里收到了什么，而沒有看到里面或打開包裹。你可以選擇搖晃包裹，但如果收到的只是光子，就無法做到了。你想確認你收到了它們，但又不想吸收光子。原則上來說，這是可行，然而實際操作卻很難。”如果糾纏態(tài)的光子來源于50公里之外的地方，那么通過光纖傳送給接收者的超過90%的光子都無法被接收者探測到。這其中還存在著，對于信道長度抖動過于敏感、誤碼率隨距離增加而增長過快等嚴重問題，所以量子中繼器難以被應(yīng)用于實際的遠距離量子通信。

2008年在維也納建立的實驗室成功地使用電訊光纜穿越整個城市發(fā)送所謂的“糾纏光子”。但是即使最清晰透明的光纖，如果很長的話，相對光來說它們都是混濁的。去年中國建造了連接北京和上海的長達2000公里的光纖，其間每100公里就需要一個中繼站，但這些中繼站也成了未來量子黑客攻擊的薄弱環(huán)節(jié)，這也就是通過衛(wèi)星進行量子通訊的原因。

維也納大學(xué)物理學(xué)家，量子研究大師蔡林格（Anton Zeilinger）表示：“在地面，通過空氣，通過玻璃纖維，傳送超不過200公里。因此如果想遠距離傳送信號，就只能選擇在外層空間的衛(wèi)星?！痹谔照婵罩?，因為沒有原子，至少原子數(shù)量微乎其微，因此量子信號受到的干擾很少。這就是為什么中國的“墨子”衛(wèi)星測試具有重要意義的原因。

“墨子”號衛(wèi)星

想要建立安全的全球范圍量子通信網(wǎng)絡(luò)，唯一可行的方案就是從太空中發(fā)送量子密鑰，然后將其分發(fā)到百十公里遠的地面站點。以中國古代哲學(xué)家名字命名的“墨子號”衛(wèi)星，重達600千克，2016年被發(fā)射到近地軌道，而這只是投資達10億美元的太空量子實驗項目（QUESS）的先遣部隊。

墨子號攜帶了一系列裝配好的激光器和晶體，它們可以產(chǎn)生成對的糾纏態(tài)光子，并將其分離，分別傳輸?shù)叫l(wèi)星視線范圍內(nèi)的不同地面基站。在最近的測試中，這3個基站分別坐落在德令哈市、烏魯木齊市和中國遙遠南部城市麗江，其中德令哈市和麗江市的地理距離達到1203千米，打破了糾纏光子百米的傳輸距離紀錄。

中國科技大學(xué)的物理學(xué)家潘建偉是這個項目的領(lǐng)導(dǎo)者，他自2003年以來一直在推進和籌措這個實驗項目。他將這個成就比做探測月球上一根火柴發(fā)出的單個光子。潘建偉認為，墨子號傳輸糾纏態(tài)光子的效率比最好的通信光纖還高出萬億倍，他說：“我們做的工作是缺少墨子號就不可能做到的，而且未來5年，太空量子實驗項目會發(fā)射更多的量子通信實驗衛(wèi)星?！?/p>

多年來，量子研究領(lǐng)域的其他科學(xué)家和機構(gòu)都在爭相追趕研究。雖然，潘建偉和他的團隊研究的墨子衛(wèi)星最終實現(xiàn)了量子密鑰分配，但是他們的研究初衷是為了完成一個簡單的課題：證明愛因斯坦的理論是錯誤的。

量子論里有一種特性，即量子糾纏，簡單來說，兩個處于糾纏狀態(tài)的量子，就像有“心靈感應(yīng)”，無論這些粒子之間相隔多遠，只要一個粒子發(fā)生變化，另外的粒子也會即刻“感知”，隨之發(fā)生變化。不過，愛因斯坦并不買賬，并譏諷這個現(xiàn)象為“幽靈般的超距作用”。也因此，他和波爾等科學(xué)巨擘為此展開激烈爭論，并留下一個“世紀年之問”：上帝擲骰子嗎？換言之，微觀世界都是由“概率”決定存在的嗎？

實際上，全球相關(guān)領(lǐng)域的科學(xué)家都為這個問題著迷。因為，一旦這種特性得到最終驗證，就有一個最為直接的應(yīng)用，即通過量子糾纏所建立起來的量子信道不可破譯，成為未來保密通信的“終極武器”。而墨子號的出現(xiàn)，證明了愛因斯坦這次說錯了。

潘建偉粗略地測算過，使用光纖進行量子分發(fā)，傳輸“百公里”距離，損耗已達99%；傳輸“千公里”的距離，每送1個光子大約需要3萬年，“這就完全喪失了通信的意義”。

2003年，潘建偉團隊開始實驗“長距離”量子糾纏，從13公里到100公里，從追趕走向超越。2012年8月9日，國際學(xué)術(shù)期刊《自然》雜志以封面標題形式發(fā)表了潘建偉團隊的研究成果，他們在國際上首次成功實現(xiàn)了“百公里”量級的自由空間量子隱形傳態(tài)和糾纏分發(fā)。又過了4年，潘建偉團隊通過發(fā)射“墨子號”衛(wèi)星，將“量子糾纏”的實驗距離拉到“1200公里”，把量子科學(xué)家們一直假想的實驗變成了現(xiàn)實。

目前這套系統(tǒng)仍然需要進一步的完善，因為目前報道的墨子號和基站間的信號傳輸速度不足以維持實用的量子通信。墨子號每秒發(fā)射約600萬對糾纏態(tài)光子，但是大約每秒只有一對可以既通過大氣層又被地面基站上的聚光望遠鏡接收到。

潘建偉說：“大家不斷地去‘拉長這個距離，以此來驗證量子糾纏的原理，步步逼近量子通信的實用目標。”事實上，在量子物理學(xué)誕生的100多年里，有關(guān)研究始終長盛不衰。

編譯自《科學(xué)美國人》《自然》雜志