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破纪录!量子纠缠跨越“一步千里”

“墨子号”发射迄今最大科研成果昨发布,率先实现千公里级量子纠缠分发
合肥在线  2017-06-17 00:44   稿源: 合肥在线-江淮晨报

6月16日,中国科学技术大学潘建伟教授在发布会上介绍情况。 新华社 发
 

    一天之中,“墨子号”卫星和地面站的“深情对望”,只能在夜里;时间很短,只有区区两三百秒。

    时间有限,科学家们在“墨子号”正式投入实验之后的半年里,顺利完成原计划的三大科学任务。

    6月16日,世界顶级学术杂志《科学》封面文章刊发了中国科大教授、量子卫星项目首席科学家潘建伟等人的研究成果:在国际上率先实现千公里级的量子纠缠分发。

    从100到1000公里,“墨子号”让量子纠缠分发世界纪录再提一整个数量级。

    量子纠缠跨越“一步千里”

    量子纠缠是奇特的量子力学现象。

    “这是一个基本的物理学概念,说我们的微观世界是由物质的基本粒子构成的,而两个粒子会处于纠缠状态。”潘建伟说。

    通俗来讲,两个纠缠的粒子之间,仿佛一对有心灵感应的“双生儿”,无论相隔多远,一个粒子的状态变化,另一个也会立刻响应。爱因斯坦称之为“鬼魅般的远距作用”。

    而量子纠缠分发,就是将两个纠缠光子分隔两地。

    “以往的量子纠缠分发实验,在近地面完成,最远只可以达到百公里的距离。”潘建伟说,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,也会受到地表物体的干扰。

    “在地面的条件下,如果距离被拉到千公里时,需要花上3万年时间才能传递一对光子,这就没有任何意义了。”潘建伟说,在理论上,有两种途径可以将量子纠缠分发的距离达到千公里级,一种是利用量子中继,但受到量子存储寿命和读出效率等因素的严重制约;另一种就是量子卫星。显然,后者是最有效的途径。

    潘建伟说,在太空中,卫星轨道附近基本都是真空,大部分空气都贴合在地球表面,所以,从太空中向地面发射纠缠光子,受到的干扰会小很多。

    最终,中国科学家们利用“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。

    这是量子卫星上天以来迄今为止发布的最大成果。

    为广义相对论等理论检验奠定基础

    “最终我们达到的量子纠缠分发的最远距离是1203公里。”潘建伟说。

    在“墨子号”上有两个望远镜,分别指向两个地面站,青海德令哈站和云南丽江站。

    于是,星地建立双向量子信道,每对处于纠缠状态的光子中的一个发向青海德令哈站,另一个发向云南丽江站,两个地面站之间的距离达到1203公里。这是世界上首次实现千公里量级的量子纠缠。

    潘建伟解释道,“墨子号”量子科学实验卫星过境时,同时与青海德令哈站和云南丽江站两个地面站建立光链路,量子纠缠光子对从卫星到两个地面站的总距离平均达2000公里。

    卫星上的纠缠源载荷每秒产生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,该量子纠缠的传输衰减仅仅是同样长度最低损耗地面光纤的一万亿分之一。

    在关闭局域性漏洞和测量选择漏洞的条件下,获得的实验结果以4倍标准偏差违背了贝尔不等式,即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。

    潘建伟说:“这项工作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。”

    做实验 需要趁着夜色“掐点”

    2016年8月16日发射,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。

    也就是说,“墨子号”量子卫星的正式“工龄”是5个月。

    在外界看来,卫星上天,意味着量子通信实现了“天地互通”,拿到实验数据似乎也是水到渠成的结果。但事实上,实验过程并非如此简单。

    “卫星在飞跃我们头顶的时间非常短,一天的有效实验时间只有200-300秒左右。”潘建伟说,在目前的条件下,太阳光会将信号湮灭,因此卫星实验只能在夜间工作,对精度要求很高。“这也是我们在努力的方向,希望在‘十三五’期间,通过努力,可以使卫星送入高轨运行,24小时传递数据。”

    “‘墨子号’发射后,一共承担三项科学任务,而我们原定计划是利用2年时间完成全部任务。”潘建伟说,三项任务分别是:实现高速的星地量子密钥的分发,实现双向星地量子纠缠分发、大尺度量子非定域性实验,实现地星量子隐形传态。“实际上,不到半年的时间,我们已经拿到全部需要的科学数据。这一次发布的是其中之一,剩下的成果在经过整理后,需要经过同行审稿人的评审之后,才能对外发布。”

    7月前将进行洲际 量子加密视频通话

    潘建伟还透露,提前拿到了需要的数据,科学家团队们就将利用多出的一年半时间,去做更多的事情。

    “我们打算和维也纳的科学家合作,实现洲际的量子密钥分发。按照计划,我们会在这个月,或者下个月中上旬,进行一场北京和维也纳之间的量子加密视频通话。”潘建伟表示,“还有德国、加拿大、意大利的科学家们,希望利用我们的量子卫星来合作研究。”

    记者了解到,除了量子纠缠分发实验外,“墨子号”量子科学实验卫星的其它重要科学实验任务正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。

    晨报记者 于巧妮

    ■相关新闻

    德令哈与华盛顿之间的“量子纠缠”

    中国青海小城德令哈,15日凌晨,一束明亮的绿光出现在量子通信地面站上空东北方向,沿着轨道在若隐若现的云月之间穿行,数分钟后消失在东南方。

    此时在美国首都华盛顿是14日下午,记者正在电脑上紧张地整理一个个专家的反馈:“这是一个英雄史诗般的实验”“是一个非常重要的里程碑”……

    这是中国“墨子号”量子卫星的重大成就在美国《科学》杂志作为封面文章发布前夕。德令哈和华盛顿两地似乎也产生了“量子纠缠”。

    德令哈是量子卫星的地面站之一,“墨子号”就是在相距1203公里的德令哈站和云南丽江站之间实现量子纠缠分发的。量子纠缠是奇特的量子力学现象。通俗地说,两个处于纠缠状态的量子就像有“心灵感应”,无论相隔多远,一个量子状态变化,另一个也会改变。

    华盛顿是世界科技第一强国美国的“大脑”,美国国家科学院、自然科学基金会、世界权威学术刊物《科学》出版方美国科学促进会总部都在这里。来自德令哈的实验数据,在这里引发巨大反响。

    “叮铃铃,叮铃铃。是地球吗?这是来自太空的量子线呼叫。”这句科幻般的描写不是小说,而是《科学》杂志为中国此次论文所写简介的标题。它用“里程碑”来形容被选作封面文章的成果。

    波士顿大学的亚历山大·谢尔吉延科曾于2003年和2004年在美国参与建设世界上第一个量子密码通信网络。他说:“这是一个英雄史诗般的实验,是验证量子力学有效性的又一个决定性步骤。这个结果对现代量子物理学发展的影响无论怎样评价都不为过。”

    加拿大滑铁卢大学的量子技术专家托马斯·延内魏因说:“国际上确实存在量子科研竞赛。这个中国团队已克服了好几个重大技术与科学挑战,清楚地表明了他们在量子通信领域处于世界领先地位。”

    据新华社

    ■新闻链接

    从零起步 到世界领先

    中国科学家量子研究走过这些路

    2003年,潘建伟团队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,这项实验在合肥大蜀山完成。

    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。

    2016年8月16日,“墨子号”量子科学实验卫星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,是国际上首次在空间尺度上开展的量子纠缠分发实验。

    2017年6月16日,“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。相关成果发表在国际权威学术期刊《科学》杂志上。 晨报记者 于巧妮


 

美国《科学》杂志封面。
 
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