卫星上天，量子落地：中国终于领先太空量子实验
► 中国科学技术大学团队千公里级别的量子纠缠分发实验登上《科学》杂志封面。credit：science
撰文 | 林 梅
责编 | 陈晓雪
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黑夜降临。一串串的纠缠光子对，以每秒800万个的发射速率，从距离地面600-1400公里的卫星出发，奔向两个地面天文观测站。这些纠缠光子中，有的在大气中衰减，有的在长途跋涉中扩散，极少数的幸运儿经历重重磨难抵达地球上相距1200公里的两个点上望远镜的入口，其中只有一部分能被成功测量，最终每秒成功分发一对纠缠光子对。
这是人类第一次尝试在千公里级别的量子纠缠分发实验验证量子力学的正确性。
而且成功了。研究显示，实验结果在4倍标准差下违背了贝尔不等式，验证了量子纠缠在千公里距离依然存在。
“我们首次完成了千公里量级的的量子纠缠分发，这比使用目前最好的光纤效率要高万亿倍”，中国科学技术大学教授介绍说，“我们完成了一件使用传统的方法绝对不可能实现的事。”
“中国的这一实验是一个相当非凡的技术成就。”在英国bbc的报道中，牛津大学量子物理教授artur eker评价说。
2017年6月16日，《科学》（science）杂志封面报道了这一结果。
这一突破，是潘建伟团队筹划了十多年的“”量子卫星取得的第一个实验成果。
量子纠缠
自20世纪初量子力学建立以来，关于纠缠现象的物理本质就一直困惑着所有量子科学家。人们一直不理解，相距遥远的两个粒子是如何具有纠缠的特性。
以爱因斯坦为代表的一些科学家主张“定域实在性”，他们认为，量子力学是不完备的，测量结果一定受到了某种“隐变量”的预先决定。为了检验量子现象究竟是由“隐变量”事先决定，还是在测量时才坍缩成最终的结果并通过“超距作用”即时传播，1964年，爱尔兰物理学家贝尔提出了著名的“贝尔不等式”，该定理在定域实在性的假设下，对于两个分隔的粒子同时被测量时其结果的可能关联程度建立了一个严格的限制，如果实验上贝尔不等式不成立，则意味着定域实在论不成立。
一直以来，人们设计了各种实验方案验证贝尔不等式正确与否，如果人们能在更远的距离验证量子纠缠的存在，即意味着在更大的空间尺度上验证量子力学的正确性。
量子纠缠分发就是一种验证贝尔不等式的实验前提。它是把制备好的两个纠缠粒子（通常为光子）分别发送到相距很远的两个点，通过观察两个点的测量结果是否符合贝尔不等式来检验量子纠缠的存在。由于光子在光纤和大气传输中急剧衰减，所以在地球表面，百公里级别的量子纠缠分发几乎已经是极限，而利用卫星实现的量子纠缠分发可谓实现距离扩展的最佳方案，外太空的真空环境对光的传输来说几乎不存在衰减和退相干效应，星地间的自由空间信道损耗小，甚至理论上，利用卫星，科学家们可以在地球上的任意两点之间建立起量子信道，有可能在全球尺度上实现超远距离的量子纠缠分发。
十余年技术准备
潘建伟最早产生利用量子卫星实现远距离量子纠缠分发进而开展实验检验贝尔不等式等工作，是在2003年——距离他从奥地利的维也纳大学获得实验物理博士学位只有4年，回到合肥建立自己的实验室1-2年。
“很多人认为这个想法太疯狂了，因为当时在一个设备完美的实验室做这些复杂的量子光学实验就已经非常有挑战性了。所以，要在几千公里的距离做相似的实验，卫星相对地面的飞行速度还是每秒8公里，怎么可能做到？！”潘建伟回忆道。
“完成这一实验的难度，相当于在300米以外清楚地看到一个人的一根头发，或者是从地球检测到来自月球的一根火柴点燃发出的光子。”潘建伟进一步解释说。
为了证明星地纠缠分发是可能的，潘建伟和同事彭承志开始在合肥的大蜀山着手实验，看纠缠光子是不是能够穿破大气层。
2005年，潘建伟和彭承志等人在国际上首次实验了水平距离13公里（大气层垂直厚度约为5-10公里）的自由空间双向量子纠缠分发，该实验一方面首次在科学上证实了经过远距离大气信道传输之后纠缠的特性仍能保持，另一方面这个传输距离超过了大气层的等效厚度，给了国际学术界第一个信心，表明进行卫星和地面之间的纠缠分发是可能的。
►图1：2005年水平距离13公里的自由空间双向量子纠缠分发
2010年，该团队在国际上首次实现了基于量子纠缠分发的16公里量子态隐形传输，量子态隐形传输实验也从实验室走到了户外。
基于前期关键技术准备，2011年底，中国科学院战略性先导科技专项“量子科学实验卫星”正式立项。2012年，潘建伟领导的团队在青海湖实现了首个超过102公里的纠缠光子对分发实验，实验中衰减范围最高达到80db，模拟了卫星分发光子对在双向链路衰减非常大的情况下经过大气信道传输仍可保持，进一步验证了卫星-地面纠缠分发的可行性。
►图2：超过102km的纠缠光子对分发实验
研制“墨子号”
随后的几年，该团队重点投入力量研制“墨子号”量子科学实验卫星。
实际上，“墨子号”要突破的技术难题，不仅仅是验证光能穿透大气层，还有很多技术上的难关。比如，我们平时看到星星闪烁，是因为大气层有湍流，对成像有变化。“你要证明大气的湍流带来的光斑移动不受影响，就需要发展自适应光学技术”，潘建伟介绍说。
另外，尽管80%的光能穿透大气，但是光有个衍射极限，虽然这个衍射角度很小，但在长距离的空间传输后，光斑会变大，而地面站接收光子的望远镜口相对较小，存在几何损耗。
此外，“月亮有反射光，地面也有散射光，想要把这些杂散背景去掉，这本身也非常困难；最重要的是，卫星是高速飞行的，地面要模拟飞行角速度，使得转动跟卫星一致，需要优化地面跟瞄系统精度……凡此种种，原理性实验都要做。”潘建伟说。
为卫星上空准备的这段时间里，潘建伟的心一直悬在半空中。有时候，他和同事感到“一切都没问题”，为卫星即将上空而欢欣激动，但有些时候也会想到“卫星可能会崩溃，不能工作”而不安。
去年8月，“墨子号”成功在酒泉卫星中心发射，顺利在距离地球500公里的轨道运行。设计在太阳同步轨道上的“墨子号”，与四个量子通信地面站（南山、德令哈、兴隆、丽江量子通信地面站）和一个空间量子隐形传态实验站（阿里量子隐形传态实验平台）一起，构成了一个巨大的量子光学实验室，实验室有效空间达到10万平方千米，成为探索量子网络、量子力学及量子引力的新的平台。
“墨子号”完成的第一个科学实验
卫星上天后，潘建伟和同事马不停蹄地对“墨子号”进行在轨测试。
他们还是遇到了一些麻烦。“卫星运行在太空恶劣的环境下，空间环境对实验的影响比我们预想得要糟糕。”潘建伟和同事花了很长时间寻找原因，“我们曾经一度担心，可能这三个实验全部做不成了”。除了量子纠缠分发实验，“墨子号”还有另外两个任务：星地高速量子密钥分发实验、地星量子隐形传态实验。
幸运的是，他们后来解决了这些问题。
在本次实验中，“墨子号”量子科学实验卫星利用星上搭载的量子纠缠光源和发射望远镜制备并发送在偏振方向上存在纠缠的光子对。在卫星过境的短短300秒内，望远镜分别精确地指向德令哈和丽江地面站，两个地面站的接收系统精确跟瞄卫星飞行角速度，随着卫星转动，卫星同时与两个地面站建立量子信道，将纠缠光子发送到地面站，地面站随机选取基矢对光子偏振方向进行符合测量，测量到的大量统计结果用来验证贝尔不等式成立与否。
两个地面站相距1200公里，卫星到两个地面站的总距离平均为2000公里，卫星上的纠缠源每秒可产生800万个纠缠光子对，建立光链路可以以每秒1对的速度在地面超过1200公里的两个站之间建立量子纠缠。
而利用光纤输送量子信号，潘建伟介绍，“距离达到1200公里之后，大概每3万年只能送一个光子”，现在的实验实现了每秒累积到一个有效的数据，“相当于要三万年做成的事情我们一秒钟就做到了”。
足够大的空间距离和足够快速的测量切换时间保证了“类空间隔”的测量要求，关闭了局域性漏洞和测量选择漏洞。实验结果表明，以4倍标准偏差违背了贝尔不等式，即以超过99.9%的置信度在千公里距离上验证了量子力学正确性，实现了严格满足“爱因斯坦定域性条件”的量子力学非定域性检验。
目前，“墨子号”的三个实验任务除了已经在《科学》杂志发表的结果，其他两个也已经基本完成。“墨子号”的寿命还有一年半的时间，接下来，潘建伟还将与国际上的同事一起完成洲际的量子密钥分发实验。
“墨子号”只能在晚间工作，因为白天的阳光过于强烈。“我们下一步就要来解决白天黑夜都可以做实验的问题，白天哪怕有太阳光的照射。”潘建伟说。
量子互联网
“这是全球量子安全通信的第一步，甚至是量子互联网（quantum internet）的第一步。”维也纳大学量子物理学家anton zeilinger在接受英国的《新科学人》（new scientist）采访时说。
“这是一个重要的里程碑，因为如果我们将来有一个量子互联网，我们需要在如此长距离的范围内发送纠缠。”“他们开始了这个大胆的想法，并设法做到这一点。”加拿大滑铁卢大学的物理学家thomas jennewein告诉《科学美国人》（scientific american）。
而在去年，诺贝尔物理学奖得主、伊利诺伊大学香槟分校物理学教授 anthony j. leggett在接受国内媒体《科学新闻》时也表示，“如果此次量子科学实验卫星上的实验能够获得成功，那么它肯定会为最终的‘量子互联网’打下坚实的基础”。
实际上，潘建伟团队的一个重要目标，就是建立一个全球性的量子互联网。所谓量子互联网，就是量子加密的互联网。“我们今天的网络是受到数学算法的保护，未来的量子网络将受到物理定律或者说自然法则的保护，将会超级安全。”研究的参与者之一、中国科学技术大学教授陆朝阳说。
要实现量子互联网，处于低轨的“墨子号”显然无法满足需求。“我们会研究一个高轨卫星，使它能够跟地面有更多的对接时间”，潘建伟说，“这样光走更远的距离，我们照样能够得到信号很好的接收。”
“我们会按照目前的理论模型做一些估算，来看看我们要把它精度做到什么程度才能来开展后面的实验。”潘建伟说。
“中国已经在量子通信领域取得领先地位”，在《科学美国人》的报道中，日内瓦大学物理学家nicholas gisin说，“这一研究表明全球量子通信是可能的，并将在不久的将来实现。”
参考资料：
1.http://www.nature.com/news/chinese-satellite-is-one-giant-step-for-the-quantum-internet-1.20329
2.http://www.bbc.com/news/science-environment-40294795
3.http://www.nature.com/news/china-s-quantum-space-pioneer-we-need-to-explore-the-unknown-1.19166
4.https://www.newscientist.com/article/2134843-chinese-satellite-beats-distance-record-for-quantum-entanglement/
5.https://www.scientificamerican.com/article/china-shatters-ldquo-spooky-action-at-a-distance-rdquo-record-preps-for-quantum-internet/
（感谢中国科学技术大学合肥微尺度实验室张文卓副研究员及李东东对本文成文的帮助）
制版编辑：斯嘉丽丨
