世界第一顆量子科學(xué)衛(wèi)星“墨子號(hào)”衛(wèi)星再一次讓世界物理學(xué)界振奮。當(dāng)?shù)貢r(shí)間6月15日，世界頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》以封面論文的形式報(bào)道了中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉團(tuán)隊(duì)的最新成果：借助“量子號(hào)”，他們創(chuàng)下了世界量子糾纏分發(fā)距離的記錄，達(dá)到1200千米，實(shí)現(xiàn)了一個(gè)數(shù)量級(jí)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(yàn)證了量子力學(xué)的正確性。下一步，潘建偉團(tuán)隊(duì)希望發(fā)射更強(qiáng)力的衛(wèi)星，在白天實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離量子糾纏分發(fā)。此外，該團(tuán)隊(duì)還計(jì)劃在中國和奧地利之間實(shí)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?！眾W地利維也納大學(xué)物理學(xué)家Anton Zeilinger如此評(píng)價(jià)道。Zeilinger正致力于推動(dòng)歐空局發(fā)射第一顆量子科學(xué)衛(wèi)星。他說：“潘建偉團(tuán)隊(duì)的論文證實(shí)了中國政府做了正確的決定。我個(gè)人堅(jiān)信未來的互聯(lián)網(wǎng)是基于量子力學(xué)原理的。”

目前，美、加、歐、澳等地的多個(gè)團(tuán)隊(duì)，都在醞釀發(fā)射量子科學(xué)衛(wèi)星，在空間內(nèi)進(jìn)行量子力學(xué)研究。

“上帝擲骰子”？

量子是物理學(xué)中不可再分的基本單元，由德國物理學(xué)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(gè)光子”的說法。

科學(xué)家們?cè)诹孔舆@個(gè)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(xué)在這個(gè)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(yuǎn)距作用”。處于糾纏態(tài)的兩個(gè)量子不論相距多遠(yuǎn)都存在一種關(guān)聯(lián)，其中一個(gè)量子狀態(tài)發(fā)生改變（比如人們對(duì)其進(jìn)行觀測(cè)），另一個(gè)的狀態(tài)會(huì)瞬時(shí)發(fā)生相應(yīng)改變，仿佛“心靈感應(yīng)”。而把兩個(gè)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(xué)的世界里另有一種奇妙的表現(xiàn)，疊加態(tài)。一個(gè)光子可以同時(shí)處于水平偏振和垂直偏振兩個(gè)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(duì)該光子的狀態(tài)進(jìn)行測(cè)量，它就會(huì)隨機(jī)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(rèn)為，測(cè)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?，愛因斯坦和另一名物理學(xué)家玻爾爭(zhēng)論了半個(gè)世紀(jì)。

1964年，愛爾蘭物理學(xué)家貝爾想出了一個(gè)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(duì)于兩個(gè)分隔的粒子同時(shí)被測(cè)量時(shí)其結(jié)果的可能關(guān)聯(lián)程度建立了一個(gè)嚴(yán)格的限制。如果貝爾不等式不成立，就意味著量子力學(xué)不符合定域?qū)嵲谡?，愛因斯坦是錯(cuò)的。

而驗(yàn)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(xué)家們都想要在更大的空間尺度上實(shí)現(xiàn)量子糾纏，驗(yàn)證量子力學(xué) 的正確性。

相距1200公里的量子糾纏

自上個(gè)世紀(jì)70年代以來，物理學(xué)家們開始嘗試遠(yuǎn)距離量子糾纏分發(fā)。

早在2005年，潘建偉團(tuán)隊(duì)就在合肥大蜀山實(shí)現(xiàn)了13公里的量子糾纏分發(fā)。這個(gè)傳輸距離超過了大氣層的等效厚度，證實(shí)了遠(yuǎn)距離自由空間量子通信的可行性。

2012年，該團(tuán)隊(duì)又在青海湖實(shí)現(xiàn)了首個(gè)超過102公里的量子糾纏分發(fā)實(shí)驗(yàn)。

2016年，“墨子號(hào)”升空。其三大科學(xué)實(shí)驗(yàn)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(duì)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(gè)相距1200公里的地面站對(duì)光子進(jìn)行糾纏測(cè)量。

針對(duì)1000多對(duì)光子的測(cè)量結(jié)果以4倍標(biāo)準(zhǔn)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(yàn)證了量子力學(xué)的正確性。

通向全球量子保密通信

除了在理論上驗(yàn)證量子力學(xué)，對(duì)愛因斯坦和玻爾之爭(zhēng)給出答案之外，“墨子號(hào)”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(jìn)行保密通信的量子密鑰。

潘建偉指出，他的團(tuán)隊(duì)下一步是要在白天進(jìn)行操作。在白天，來自太陽的干擾更多，可能會(huì)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(qiáng)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(tuán)隊(duì)計(jì)劃發(fā)射一批實(shí)用性質(zhì)的量子科學(xué)衛(wèi)星。

除了星地量子糾纏分發(fā)實(shí)驗(yàn)之外，“墨子號(hào)”還有進(jìn)行星地量子隱形傳態(tài)實(shí)驗(yàn)和量子密鑰分發(fā)的任務(wù)。最終目標(biāo)，是要通過衛(wèi)星中轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)可覆蓋全球的量子保密通信。

而據(jù)《科學(xué)》雜志報(bào)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(gè)實(shí)驗(yàn)中，“量子號(hào)”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(jì)劃從另一個(gè)地面站向衛(wèi)星傳輸量子態(tài)。

不過，新加坡國立大學(xué)的Alexander Ling注意到，潘建偉團(tuán)隊(duì)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(yùn)行速度，這已經(jīng)是不錯(cuò)的結(jié)果，但距離實(shí)踐量子通信還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。

Ling目前正在組織一批澳大利亞的物理學(xué)家，計(jì)劃在兩顆衛(wèi)星之間實(shí)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(xué)衛(wèi)星。歐洲和美國的團(tuán)隊(duì)則提議把量子科學(xué)設(shè)施送上國際空間站，實(shí)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(chǎng)改變的情況下，量子糾纏態(tài)是否會(huì)受到影響。