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量子通信研究 中国继续领跑

来源:人民日报 作者:吴月辉 2017-06-19 11:36:11
  6月16日,我国科学家利用“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,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。

  这项成果是中国科学技术大学教授潘建伟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研究发布的。同日,相关成果以封面论文的形式发表在国际权威学术期刊《科学》杂志上。

  两个纠缠在一起的量子,相隔多远都可瞬间互相影响

  2016年8月16日,我国成功发射首颗量子科学实验卫星“墨子号”,这是中国科学院空间科学先导专项首批科学实验卫星之一。

  量子是物理世界里最小的、不可再分割的能量单位。量子纠缠是量子的两个奇妙特性之一。“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。两个纠缠在一起的量子就好比是一对有心电感应的双胞胎,不管两人距离多远,千公里量级或者更远,只要当其中一个人的状态发生变化时,另一个人的状态也会跟着发生一样的变化。”潘建伟说,“这种现象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。”

  爱因斯坦称量子纠缠为“鬼魅般的超距作用”,他认为这种效应的产生可能是由某种人们目前可能还暂时无法理解的所谓“隐变量”操纵的。那么,爱因斯坦到底说得对不对呢?

  1964年,物理学家约翰·贝尔提出了一个实验方案,能够进行检验。“这也就是量子纠缠分发实验。让一台机器把制备好的一对对纠缠粒子(通常为光子)不断分别向两个方向发射,然后随机沿着不同的角度,分别对纠缠光子的偏振方向进行测量。”中国科技大学研究员、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说,“如果测量结果满足贝尔不等式的话,说明爱因斯坦是对的;否则,证明量子力学非定域性是真实存在的。”

  验证量子纠缠在更远距离是否存在,要到太空去实验

  在量子纠缠分发实验中,为了保证测量事件的类空间隔,科学家总是要将两个探测装置相隔一定距离放置。他们每做完一轮实验都会想,如果距离再远一些,量子纠缠是否仍然存在?

  然而,由于量子纠缠非常脆弱,它会随着光子在光纤内或者在地表大气中的传输距离而衰减。也就是说,如果在地面做这个实验,传输的距离就不可能太长。

  “即使采用目前最先进的理想单光子探测器,在1200公里光纤中进行点对点量子通信,每3万年也只能传输一个比特。就好比一支拥有100万人的队伍,到最后可能只剩下几个人,花了很长时间才能抵达目的地。”潘建伟说,“这导致了在远距离上信息传递效率很低,所以之前的量子纠缠分发实验只停留在百公里的距离。”

  怎样才能使量子纠缠分发的距离进一步扩展到更远呢?潘建伟说,目前理论上有两种途径。一种是利用量子中继,即分成若干段传输来降低每一段的损耗,用“量子接力”的方式解决这一难题。但是,目前这种途径仍然受到量子存储寿命和读出效率等因素的严重制约而无法实际应用。

  “另一种就是利用卫星平台。因为在太空中,卫星轨道附近基本上是真空,大部分空气都贴在地球表面。所以,从太空中向地面发射纠缠光子,受到的干扰会比较小,损耗也小,结合卫星的中转,有望在全球尺度上实现超远距离的量子纠缠分发。”潘建伟说,“我们研究团队决定选择用这种途径来扩展量子纠缠分发的距离,并于2003年就提出了利用卫星实现远距离量子纠缠分发的方案。”

  卫星过境时,在1200公里间实现星地双向量子纠缠分发

  此次实验是如何进行的?

  “‘墨子号’过境时,同时与青海德令哈站和云南丽江高美古站两个地面站建立光链路。”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、卫星系统总指挥王建宇说,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。

  潘建伟说:“在关闭局域性漏洞和测量选择漏洞的条件下,我们获得的实验结果以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。”

  《科学》杂志的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”。

  潘建伟表示,运用所发展的量子纠缠分发技术,研究团队正在开展实验创建密钥,以实现天地间的信息传输。目前量子通信的一个主要的挑战是,如何在白天有大量光量子的情况下分辨并接收到量子卫星的信号,以实现量子通信。“墨子号”卫星的其他重要科学实验任务,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,预计今年会有更多科学成果陆续发布。
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