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墨子号量子卫星首次实现千公里级量子纠缠分发

人民网合肥6月16日电(赵竹青)记者从中国科学院获悉,近日,我国科学家在空间量子物理研究方面再次取得重大突破。中国科学技术大学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。相关成果于6月16日以封面论文的形式发表在国际权威学术期刊《科学》杂志上。

源于一个“英勇”的异想天开

“量子纠缠是物理学中的一个基本概念。”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告诉记者,量子纠缠被爱因斯坦称之为“鬼魅般的超距作用”,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它粒子,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。”潘建伟说,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。”

为了实现远距离的量子分发,潘建伟团队在2003年就提出了利用卫星实现远距离量子纠缠分发的方案,“这在当时是一个异想天开、一个非常‘英勇’的想法,甚至有点悲壮的感觉。”回忆起十几年前的起步,潘建伟感慨颇深。

有人支持,有人反对。潘建伟团队在争议中前行,随后的几年内,他们顺着这一设想,经过艰苦攻关,克服重重困难,成功完成了地面上的一系列前期验证。最终研制成功并在2016年发射了“墨子号”量子科学实验卫星,在国际上首次于空间尺度上开展的量子纠缠分发实验。

首次实现千公里级量子纠缠分发

潘建伟介绍,“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,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。

“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。如果用过去的方法,需要三万年才能送一个纠缠的光子到千公里以外,现在用量子卫星能做到每秒送1个了。”潘建伟说,虽然这个数量还是有点“不够用”,但至少从原理上已经实现了,以后再慢慢扩大传输量,就能实现用量子传递大量的信息了。

世界上最牛的成果之一

潘建伟说,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。

正因为此,《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”。

中国科学技术大学研究员、量子科学实验卫星科学应用系统总师兼卫星系统副总师彭承志回忆,2003年的时候,自己还是一个博士生,白发也没有现在这么多,“当时潘老师和我们描述量子通信的前景,我问潘老师,这个事是不是挺牛的?潘老师说,是世界上最牛的。作为一个年轻人能够做这样一件事情,我没有理由拒绝。”

“当然后来做成了。感觉挺自豪,挺有成就感的。”彭承志说,从2003年参与项目开始算起,团队用14年的努力证明了这件事在科学上是有意义的、在国际上是领先的,现在也有越来越多的人加入这一团队来做这个事情,他感到非常欣慰。

“做了这个事情之后感觉到了一个新的层次,感到有更多的事情可以往下走。比如自由意志的验证,以及和引力波探测结合等等。”彭承志表示,这项技术未来对国家、国际科学界非常有用,“即便未来再来一个14年,也是非常值得的。”

然而,潘建伟仍有着“严重的危机感”。他说,没做成的时候有很多怀疑,现在花了这么多时间做成了,国际上都纷纷表示要“尽可能赶上”。他说,现在就是争分夺秒,尽可能地继续保持领先,不要被别人超越。

“也希望能够得到更多人的支持,让我们做得更好。”潘建伟说。

“大团队”的合作成果

潘建伟表示,该成果是由一个“大团队”做出的。在中国科学院空间科学战略性先导科技专项的支持下,潘建伟教授和他的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单位合作完成。

潘建伟认为,这个实验的成功实施体现了建立量子信息国家实验室的必要性。“我们在研究的过程中,需要各个单位的经验。我们在这个合作过程中建立起来了很好的协同创新机制,也为未来建设多学科交叉、大规模科学探索找到一个非常好的方式。”

对此,中科院上海技术物理研究所研究员、量子科学实验卫星工程常务副总师兼卫星系统总指挥王建宇也非常认同,他说,量子卫星是一个从天到地的天地一体化实验体系,这一体系能够很好地运转,需要卫星与地面的协同工作,涉及到的部门非常多,“此次成果的获得确实得益于现在的的科研体制,‘国家实验室’确实是一个非常好的体制”。

彭承志说,作为世界领先的科研项目,墨子号体现了科学与工程的完美统一。“既要在科学上做到第一,同时,必须有工程方面的可靠支持。这是成功的一大关键。”他介绍,为了更好地实现科学目标,卫星的设计上做了很多努力,比如,将原先办公桌大小的激光器,做到一个拇指那么大,并且实现了自主可控。

技术走进千家万户还需要至少十年

潘建伟介绍,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,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。

潘建伟透露,“墨子号”在7月份左右还将会有一个展示,实现维也纳到北京安全加密的视频会议。“目前,技术上已经有很好的成熟性,此后再通过中高轨卫星的研究等,预计在十三五末能够真正满足现实中的保密通信的需要。“但如果说最终走到千家万户,可能还需要十年或者更长的时间。”

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关键词: 量子 墨子 卫星
责任编辑:车珊

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