近日，中國科學(xué)院院士、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授潘建偉及其同事彭承志等組成的研究團(tuán)隊(duì)，聯(lián)合中科院上海技術(shù)物理研究所王建宇研究組、微小衛(wèi)星創(chuàng)新研究院、光電技術(shù)研究所、國家天文臺(tái)、紫金山天文臺(tái)、國家空間科學(xué)中心等，在中科院空間科學(xué)戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)的支持下，利用“墨子號(hào)”量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星在國際上率先成功實(shí)現(xiàn)了千公里級(jí)的星地雙向量子糾纏分發(fā)，并在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了空間尺度下嚴(yán)格滿足“愛因斯坦定域性條件”的量子力學(xué)非定域性檢驗(yàn)，在空間量子物理研究方面取得重大突破。
這一重要成果為未來開展大尺度量子網(wǎng)絡(luò)和量子通信實(shí)驗(yàn)研究，以及開展外太空廣義相對(duì)論、量子引力等物理學(xué)基本原理的實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)奠定了可靠的技術(shù)基礎(chǔ)。相關(guān)成果于6月16日以封面論文的形式發(fā)表在國際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》上。中科院也于當(dāng)日在中國科大組織召開新聞發(fā)布會(huì)，全面深入解讀該重大成果。
量子糾纏被愛因斯坦稱之為“鬼魅般的超距作用”，它是兩個(gè)（或多個(gè)）粒子共同組成的量子狀態(tài)，無論粒子之間相隔多遠(yuǎn)，測(cè)量其中一個(gè)粒子必然會(huì)影響其它粒子，這被稱為量子力學(xué)非定域性。量子糾纏所體現(xiàn)的非定域性是量子力學(xué)最神奇的現(xiàn)象之一。量子糾纏分發(fā)是把制備好的兩個(gè)糾纏粒子（通常為光子）分別發(fā)送到相距很遠(yuǎn)的兩個(gè)點(diǎn)。通過觀察兩個(gè)點(diǎn)的統(tǒng)計(jì)測(cè)量結(jié)果是否破壞貝爾不等式，可以驗(yàn)證量子力學(xué)非定域性的存在。同時(shí)，利用量子糾纏所建立起的量子信道也是構(gòu)建量子信息處理網(wǎng)絡(luò)的基本單元。
由于量子糾纏非常脆弱，會(huì)隨著光子在光纖內(nèi)或地表大氣中的傳輸距離而衰減，以往的量子糾纏分發(fā)實(shí)驗(yàn)只停留在百公里的距離。量子糾纏“鬼魅般的超距作用”在更遠(yuǎn)的距離上是否仍然存在？會(huì)不會(huì)受到引力等其它因素的影響？這些基本物理問題的驗(yàn)證都需要實(shí)現(xiàn)上千公里甚至更遠(yuǎn)距離的糾纏分發(fā)；另一方面，要實(shí)現(xiàn)廣域的量子網(wǎng)絡(luò)也自然要求遠(yuǎn)距離的糾纏分發(fā)。
理論上有兩種途徑可以擴(kuò)展量子糾纏分發(fā)的距離。一種是利用量子中繼，盡管量子中繼的研究在近些年已取得了系列重要突破，但目前仍然受到量子存儲(chǔ)壽命和讀出效率等因素的嚴(yán)重制約，無法實(shí)際應(yīng)用于遠(yuǎn)程量子糾纏分發(fā)。另一種是利用衛(wèi)星，因?yàn)樾堑亻g的自由空間信道損耗小，在遠(yuǎn)程量子通信中比光纖更具可行性，結(jié)合衛(wèi)星的幫助，可以在全球尺度上實(shí)現(xiàn)超遠(yuǎn)距離的量子糾纏分發(fā)。
潘建偉團(tuán)隊(duì)早在2003年就提出了利用衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離量子糾纏分發(fā)的方案，隨后于2005年在國際上首次實(shí)現(xiàn)了水平距離13公里（大于大氣層垂直厚度）的自由空間雙向量子糾纏分發(fā)。2010年，該團(tuán)隊(duì)又在國際上首次實(shí)現(xiàn)了基于量子糾纏分發(fā)的16公里量子態(tài)隱形傳輸。2011年底，中科院空間科學(xué)先導(dǎo)專項(xiàng)“量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星”正式立項(xiàng)。2012年，潘建偉領(lǐng)導(dǎo)的中科院聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)在青海湖實(shí)現(xiàn)了首個(gè)百公里的雙向量子糾纏分發(fā)和量子隱形傳態(tài)，充分驗(yàn)證了利用衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)量子通信的可行性。隨后，該團(tuán)隊(duì)經(jīng)過艱苦攻關(guān)，克服種種困難，最終研制成功了“墨子號(hào)”量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星。衛(wèi)星于2016年8月16日在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心發(fā)射升空，經(jīng)過四個(gè)月的在軌測(cè)試，2017年1月18日正式交付開展科學(xué)實(shí)驗(yàn)。星地量子糾纏分發(fā)作為衛(wèi)星的三大科學(xué)實(shí)驗(yàn)任務(wù)之一，是國際上首次在空間尺度上開展的量子糾纏分發(fā)實(shí)驗(yàn)。
“墨子號(hào)”量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星過境時(shí)，同時(shí)與青海德令哈站和云南麗江站兩個(gè)地面站建立光鏈路，量子糾纏光子對(duì)從衛(wèi)星到兩個(gè)地面站的總距離平均達(dá)2000公里，跟瞄精度達(dá)到0.4 μrad。衛(wèi)星上的糾纏源載荷每秒產(chǎn)生800萬個(gè)糾纏光子對(duì)，建立光鏈路可以以每秒1對(duì)的速度在地面超過1200公里的兩個(gè)站之間建立量子糾纏，該量子糾纏的傳輸衰減僅僅是同樣長(zhǎng)度最低損耗地面光纖的一萬億分之一。在關(guān)閉局域性漏洞和測(cè)量選擇漏洞的條件下，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，獲得的實(shí)驗(yàn)結(jié)果以4倍標(biāo)準(zhǔn)偏差違背了貝爾不等式，即在千公里的空間尺度上實(shí)現(xiàn)了嚴(yán)格滿足“愛因斯坦定域性條件”的量子力學(xué)非定域性檢驗(yàn)。
《科學(xué)》雜志幾位審稿人稱贊該成果是“兼具潛在實(shí)際現(xiàn)實(shí)應(yīng)用和基礎(chǔ)科學(xué)研究重要性的重大技術(shù)突破”，并斷言“毫無疑問將在學(xué)術(shù)界和廣大的社會(huì)公眾中產(chǎn)生非常巨大影響”。
除量子糾纏分發(fā)實(shí)驗(yàn)外，“墨子號(hào)”量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星的其它重要科學(xué)實(shí)驗(yàn)任務(wù)，包括高速星地量子密鑰分發(fā)、地星量子隱形傳態(tài)等目前也在緊張有序地進(jìn)行中，預(yù)計(jì)今年會(huì)有更多的科學(xué)成果陸續(xù)發(fā)布。