“墨子号”量子科学实验卫星取得重要新成果
中国率先实现千公里级量子纠缠分发
2016年11月9日，在河北兴隆观测站，“墨子号”量子科学实验卫星过境，科研人员在做实验（合成照片）。 新华社发
6月16日，中科院院士、中国科学技术大学教授，量子科学实验卫星首席科学家潘建伟在中国科大发布量子科学实验卫星研究成果。 记者 张大岗 摄
本报讯 备受关注的中国“墨子号”量子科学实验卫星取得新的重要成果。记者昨日从中国科大新闻发布会上获悉，“墨子号”量子科学实验卫星在国际上率先实现千公里级的量子纠缠分发，并在此基础上首次实现空间尺度严格满足“爱因斯坦定域性条件”的量子力学非定域性检验，为未来开展大尺度量子网络和量子通信实验研究，以及开展外太空广义相对论、量子引力等物理学基本原理的实验检验奠定了可靠的技术基础。
实现从百公里到千公里的跨越
量子纠缠被爱因斯坦称之为“鬼魅般的超距作用”。通俗地说，它是两个（或多个）粒子共同组成的量子状态，无论粒子之间相隔多远，测量其中一个粒子必然会影响其他粒子，这被称为量子力学非定域性。
量子纠缠所体现的非定域性是量子力学最神奇的现象之一。量子纠缠分发就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。通过观察两个点的统计测量结果是否破坏贝尔不等式，可以用来验证量子力学非定域性的存在。同时，利用量子纠缠所建立起的量子信道，也是构建量子信息处理网络的基本单元。
近日，量子科学实验卫星首席科学家潘建伟教授及其同事彭承志等组成的研究团队，联合中国科学院上海技术物理研究所王建宇研究组、微小卫星创新研究院、光电技术研究所、国家天文台、紫金山天文台、国家空间科学中心等，在中国科学院空间科学战略性先导科技专项的支持下，利用“墨子号”量子科学实验卫星在国际上率先成功实现了千公里级的星地双向量子纠缠分发，并在此基础上实现了空间尺度下严格满足“爱因斯坦定域性条件”的量子力学非定域性检验，在空间量子物理研究方面取得重大突破。
重要成果奠定可靠的技术基础
由于量子纠缠非常脆弱，会随着光子在光纤内或者地表大气中的传输距离而衰减，以往的量子纠缠分发实验只停留在百公里的距离。量子纠缠“鬼魅般的超距作用”在更远的距离上是否仍然存在？会不会受到引力等其他因素的影响？这些基本物理问题的验证都需要实现上千公里甚至更远距离的纠缠分发；另一方面，要实现广域的量子网络也自然要求远距离的纠缠分发。
早在2003年，潘建伟团队就提出了利用卫星实现远距离量子纠缠分发的方案，随后于2005年在国际上首次实现了水平距离13公里（大于大气层垂直厚度）的自由空间双向量子纠缠分发。
2010年，该团队又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。2011年底，中科院战略性先导科技专项“量子科学实验卫星”正式立项。2012年，潘建伟领导的中科院联合研究团队在青海湖实现了首个百公里的双向量子纠缠分发和量子隐形传态，充分验证了利用卫星实现量子通信的可行性。随后，该团队经过艰苦攻关，克服种种困难，最终研制成功了“墨子号”量子科学实验卫星。卫星于2016年8月16日在酒泉卫星发射中心发射升空，经过四个月的在轨测试，2017年1月18日正式交付开展科学实验。星地量子纠缠分发作为卫星的三大科学实验任务之一，是国际首次在空间尺度上开展的量子纠缠分发实验。
“在千公里的空间尺度上实现了严格满足‘爱因斯坦定域性条件’的量子力学非定域性检验，这一重要成果为未来开展大尺度量子网络和量子通信实验研究，以及开展外太空广义相对论、量子引力等物理学基本原理的实验检验奠定了可靠的技术基础。”潘建伟表示。
更多科学成果将陆续发布
据介绍，“墨子号”量子卫星相关成果已经以封面论文的形式发表在国际权威学术期刊《科学》杂志上。《科学》杂志几位审稿人称赞该成果是“兼具潜在实际现实应用和基础科学研究重要性的重大技术突破”，并断言“绝对毫无疑问将在学术界和广大的社会公众中产生非常巨大影响”。
潘建伟透露，除了量子纠缠分发实验外，“墨子号”量子科学实验卫星的其他重要科学实验任务，包括高速星地量子密钥分发、地星量子隐形传态等，也在紧张顺利地进行中，预计今年会有更多的科学成果陆续发布。 （记者 王宗媛）
