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“墨子号”量子科学实验卫星首个重磅成果解读
文汇报 许琦敏 | 17-06-18| 访问次数: | 【 【打印】【关闭】

  6月16日,在中国科学技术大学的理化大楼报告厅,中科院院士潘建伟忍不住心中的欣喜之情。因为,国际权威学术期刊《科学》以封面文章,刊发了全球首颗量子科学实验卫星“墨子号”所取得的三大科学实验成果之一——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。

  “这是我迄今最重要的成果!”潘建伟从未如此高调宣称过自己所取得的成绩,即使他和同事的成果曾6次入选英国物理学会评选的“年度物理学重大进展”、5次入选美国物理学会评选的“年度物理学重大事件”、入选过英国《自然》杂志评为“百年物理学21篇经典论文”,也曾被美国《科学》杂志评为“年度十大科技进展”。因为这次的成果,为本世纪初两位物理学巨擘——爱因斯坦和玻尔关于量子力学的争论,给出了一个前所未有的严格符合“爱因斯坦定域性条件”的检验结果。同时,也为未来量子网络和通信技术发展,形成了技术平台。

  “墨子号是一种全新的科学研究工具,用它可以推开一扇扇我们甚至还没想象出的科学之门。”潘建伟在接受媒体采访时说,现在还只是锋芒初试。正如杂志审稿人所言,这项“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”,将“绝对毫无疑问地在学术界和广大的社会公众中产生非常巨大影响”。

  太空中检验量子力学“百年之争”

  在物理学界,有一场著名的争论——玻尔-爱因斯坦论战。这场争论始于1927年的第五次索尔维会议。这是20世纪初一位比利时的实业家创立的物理、化学领域讨论的会议,云集了当时欧洲最优秀的物理学家。这场论战涉及了量子物理的一系列争论,而量子力学的完备性就是其中之一。

  量子纠缠之间“鬼魅般的超距作用”是否应该存在,是争论的焦点。潘建伟说,将一个波长400纳米的光子打入特殊的晶体,晶体中的原子“吃”掉光子后,就有可能跳出两个波长800纳米的新光子,这两个光子是由同一个“母亲”死去之后诞生的“双胞胎”,它们的各种能量状态加在一起,和“母亲”光子相同,这就是一对纠缠态的光量子。由于能量守恒,这对光量子的行为就会神奇地“你变我也变”。而且,当其中一个被测量时,另一个如果被测,一定会显示出同样的状态。

  爱因斯坦认为,这种状态不应该存在,因为这让量子力学处于不完备的状态,是一个成熟的理论体系不能容忍的。可玻尔却认为,量子力学就是这样的。他们谁正确呢?物理学家尝试过许多次实验,不过都无法满足一个苛刻的条件——爱因斯坦定域性条件。

  这个条件为何如此难以满足?因为爱因斯坦认为,要确认两个量子纠缠之间的“超距作用”没有“作弊嫌疑”,就必须让两个相互纠缠的量子分开,相隔的距离要比测得两个光子状态的时间乘以光速——这才可以证明,没有“超距作用”之外的任何信号帮忙把一个量子的信息传给另一量子,因为没有什么粒子可以超过光速“奔跑”。

  由于光子从进入探测器到仪器测出结果,需要一定时间,所以要实现爱因斯坦界定的条件,两个纠缠态量子必须分开足够远。“这在地面上很难实现。”潘建伟说,因为光子在光纤中会被大量吸收,而量子纠缠的信号一旦衰减就无法放大,所以即使用目前世界上最好的光纤,也得需要一万亿秒才可能将一个光子送达目标,这显然是无法忍受的。

  然而光子穿透大气,损耗要小得多。于是,潘建伟想到了用卫星与地面基站,建立一个天地尺度的大实验室,进行一次人类从未尝试过的实验。

  踏实推进,墨子号不负众望

  “我刚提出这个设想时,几乎没人相信这事可以做得成。”潘建伟说,他庆幸自己从奥地利回到了中国,“当时中国已经在航天、卫星设计方面有了相当的积累,当我提出科学需求,很多团队都汇聚到一起,为同一个目标而努力。”

  2003年,潘建伟团队最早提出利用卫星实现远距离量子纠缠分发的方案,此后他们不断验证着方案的可行性:2005年,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,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;2012年,中科院联合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。

  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,航天载荷、卫星设计等各方力量都因这颗卫星而凝聚。“从500公里的高空向地面基站发射光子,就好像在飞机上将一个一元大小的硬币,投入地面上一个旋转的储蓄罐的投币缝隙中。”负责卫星载荷的总工程师、中科院上海技术物理研究所王建宇研究员说,所有指标都扣着理论极限做。为了快速与地面站瞄准,争取多一点时间传送量子,卫星平台也进行了二次跟踪瞄准的技术改进……

  正因为有了优秀的载荷和地面量子终端,卫星在今年1月18日正式开展实验后,立刻收到了高质量的数据。潘建伟兴奋地说,原本准备做一年的实验,两个月就完成了。

  星地量子纠缠分发是卫星的三大科学实验任务之一(另两个是量子隐形传态、量子密钥分发),也是国际上首次在空间尺度上开展的量子纠缠分发实验。

  “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。“卫星每天经过地面站一次,每次300秒,卫星以每秒一对的速度,向地面站发送纠缠量子对。”潘建伟说,他们很快积累了几千个数据,相当精确地计算出了贝尔不等式的值——2.39±0.09。

  贝尔不等式是英国物理学家贝尔为验证量子力学完备性而推导出的一个公式,如果实验得到的值小于等于2,那么爱因斯坦的观点是对的,如果在2-2.828之间,则玻尔赢了。“这是全球首次在严格的爱因斯坦定域性下完成的检验,绝对可以载入量子力学发展的史册。”潘建伟说,这是他迄今最为重要的成果。

  量子科学“新工具”开启更多可能

  其实,量子科学实验卫星上的三大科学实验全部都已成功完成,其他成果还将在今年陆续发布。继中国墨子号之后,国际上掀起了一股量子空间实验的热潮:欧盟启动量子实验卫星项目,加拿大已经为量子卫星立项,美国科学家也呼吁恢复量子卫星项目,日本、德国等也开始跟进。

  中国在这一领域占到了先机,潘建伟非常开心。墨子号的作用不仅仅是三大科学实验,它还可以通过测量光子跑过长距离之后的极化变化,来检验量子引力模型——这也是量子力学的前沿问题;它也可以测量量子纠缠在引力影响下的衰退状况,这对人类通过引力波认识宇宙,将大有帮助;根据普朗克的预测,时空可能并不是连续的,而是存在很多小间隙,它还可以尝试验证时空的连续性……潘建伟说,每一种新工具的诞生,都会为人类认识自然、解决科学问题,带来很多新的可能性。再应用领域,墨子号又为量子网络、量子通信验证了技术平台,具有巨大的应用潜力。

  但科学永远是在你追我赶。如今全球都处在量子通信的开端,潘建伟希望,在往实际应用发展的路上,有更多资源和力量可以汇入,共同推动中国常立量子通信潮头。

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