＂墨子＂号证明:＂幽灵作用＂相距千公里仍存在

2016年11月9日，在河北兴隆观测站，“墨子”量子科学实验卫星凌日，研究人员正在做实验。新华社记者金照片

新华社合肥6月16日电中国科学家率先利用墨子量子科学实验卫星实现了世界上数千公里的量子纠缠分布，证明了困扰爱因斯坦的这种“遥远地方的奇怪相互作用”仍然存在如此大的规模。

世界第一颗量子卫星墨子首席科学家、中国科学院院士潘建伟表示，这是首次在空尺度上实现严格符合爱因斯坦局域条件的量子力学非局域性测试，为今后大规模量子网络和量子通信的实验研究，以及广义相对论、量子引力等基本物理原理的实验测试奠定了可靠的技术基础。

6月16日，国际权威学术期刊《科学》发表封面论文，介绍了空之间中国科学家在量子物理研究方面取得的重大突破。

“幽灵角色”:世纪之争

量子纠缠是量子物理中最深刻、最令人费解的现象之一，爱因斯坦称之为“幽灵般的距离作用”。它是由两个粒子组成的量子态。无论粒子相距多远，测量一个粒子必然会影响到其他粒子。

虽然爱因斯坦是量子力学的创始人之一，但他并不相信“遥远地方之间奇怪的相互作用”的存在。他认为量子力学对客观世界的描述是不完整的，量子力学中一定有一些因素有待发现。但是量子力学的另一位创始人玻尔认为量子力学没有错，这种奇怪的现象是存在的。在20世纪20年代和30年代，量子力学在他们的辩论中发展起来。

到底哪种理论是正确的，需要通过实验来检验。

20世纪60年代，爱尔兰物理学家贝尔最初支持爱因斯坦的观点。他设计了一个数学公式，即贝尔不等式，它提供了一个通过实验来判断玻尔和爱因斯坦不同观点的机会。目前科学家进行的所有实验都支持玻尔的观点。

然而，目前的实验仍然存在漏洞。另外，量子纠缠在更远距离是否还存在？会不会受到重力等其他因素的影响？潘建伟说，这些基本物理问题的验证需要几千公里甚至更长的纠缠分布；另一方面，要实现广域量子网络，自然需要长距离纠缠分布。

潘建伟说，由于量子纠缠非常脆弱，它会随着光子在光纤或表面大气中的传输距离而衰减，以往的量子纠缠分布实验只停留在100公里的距离。

他说理论上有两种方法可以延长量子纠缠分布的距离。一个是量子中继的使用。虽然近年来量子中继的研究取得了一系列重要突破，但它仍然受到量子存储寿命和读出效率等因素的严重制约，因此不能应用于远程量子纠缠分布。另一种是使用卫星，因为卫星与地面之间的自由空信道损耗较小，在长距离量子通信中比光纤更可行。在卫星的帮助下，量子纠缠分布可以在全球范围内远距离实现。

2016年12月10日，在西藏阿里天文台，墨子量子科学实验卫星凌日，研究人员正在做实验。新华社记者金照片

《墨子》:世界上第一个空跨尺度实验

早在2003年，潘建伟的团队就提出了利用卫星实现长距离量子纠缠分布的方案，然后在2005年，世界上首次实现了水平距离为13公里的自由空之间的双向量子纠缠分布。2010年，该团队在世界上首次实现了基于量子纠缠分布的16 km量子态的隐形传态。

2011年底，中科院战略性科技试点项目“量子科学实验卫星”正式成立。2012年，潘建伟带领的团队实现了青海湖首个100公里双向量子纠缠分布和量子隐形传态，充分验证了利用卫星实现量子通信的可行性。

由中国科学技术大学潘建伟教授和他的同事彭承志组成的研究团队，与上海技术物理研究所王建宇研究组、微卫星创新研究所、光电技术研究所、国家天文台、紫金山天文台和国家科学中心一起，克服各种困难，最终成功研制出墨子量子科学实验卫星。该卫星于2016年8月16日在酒泉卫星发射中心发射。星地量子纠缠分布是卫星三大科学实验任务之一。

据报道，墨子卫星在凌日时与青海德令哈站和云南丽江站建立了光链路，卫星到两个地面站的量子纠缠光子对总距离平均为2000公里。卫星上的纠缠源负载每秒产生800万个纠缠光子对，光链路可以以每秒1对的速度在地面上1200公里以上的两个站之间建立量子纠缠，量子纠缠的传输衰减仅为同等长度的最低损耗地面光纤的1万亿倍。

量子卫星工程执行副总工程师兼卫星总指挥王建宇说，这个实验非常困难。量子卫星的光轴应与地面望远镜的光轴严格对准。用一个形象比喻，针尖对着芒。卫星的对准精度比普通卫星高10倍，实验可以顺利进行。真正的问题是，这颗卫星会以大约8公里/秒的速度在人的头顶上方飞行，地面观测站一次只能跟踪几分钟。

王建宇说:“卫星的对准精度就像在一万米空高度的飞机上把硬币扔到地上，准确地放进存钱罐的窄槽里，而存钱罐还在慢慢旋转；或者从上海发射一束光，对准北京的任何一个窗户，打到哪里都行。卫星的探测灵敏度也是世界上最高的，相当于在月球上画一根火柴，在地球上也能看到。”

2016年12月22日，潘建伟、王建宇、彭承志在云南丽江天文台做实验。新华社记者金照片

潘建伟:迄今为止最重要的研究成果

据报道，墨子进行的量子纠缠分布实验已经封闭了局域脆弱性和测量选择脆弱性，得到的实验结果以4倍标准差违反了贝尔不等式，即在空千公里尺度上实现了严格满足爱因斯坦局域条件的量子力学非局域性检验，再次支持了玻尔的观点。

《科学》杂志的评论者称赞这一成就是“具有潜在实际应用和基础科学研究重要性的重大技术突破”，“它肯定会对学术界和公众产生巨大影响”。

"到目前为止，这是我一生中最重要的实验研究成果."从事量子物理研究20多年，获国家自然科学一等奖的潘建伟说:“我们可以首次在Tai 空的尺度上检验微物理学的规律，为今后开展量子引力实验和探索物理学中的许多基本规律奠定必要的技术基础和打开大门。这些技术将来也可以用来构建量子网络。”

接下来，中国科学家还计划利用量子卫星实现中国和奥地利地面站之间的量子密钥分发，实现北京和维也纳之间的量子加密通话。此外，加拿大等国也提出与中国合作开展相关实验。

王建宇说:“目前墨子只能在夜间工作，我们希望将来开发出24小时工作的技术。现在卫星真正的过境时间每天只有200到300秒。我们希望将来发射中高轨道卫星，使量子卫星变得实用。”

潘建伟有一个更长远的目标，希望在地球和月球之间建立一个30万公里的量子纠缠，研究引力和时间的结构空。

“接下来，我们希望在地球和月球的拉格朗日点上放置一个光源，将量子纠缠分配给人造飞船和月球。我们希望能通过30万公里以上的纠缠分布来观察其性质的变化，并解释相关理论。”

据报道，除了量子纠缠分布实验，墨子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配和地球-卫星量子隐形传态，也进展顺利。预计今年将陆续发布更多的科学成果。