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“這是我這輩子目前為止，做過的最好科學成果。 ”在美麗的中國科學技術大學校園，中國科學院院士、“墨子號”量子科學實驗衛星首席科學傢潘建偉激動地說。
6月16日，國際權威學術期刊《科學》封面，顯示瞭一幅讓世界驚艷的畫面：浩瀚的太空中，“墨子號”向地球發出兩道紅色光束，宛如兩條長腿邁出史詩級步伐。這驚心動魄的“一邁”，震驚瞭整個世界。當天，潘建偉院士在合肥宣佈，“墨子號”在世界上率先成功實現千公裡級的星地雙向量子糾纏分發，實際分發距離超過1200公裡，創造世界紀錄，為量子網絡和量子通信實驗研究奠定瞭堅實基礎。
量子糾纏“幽靈作用”無處不在
在《格林童話》中，有一對長得分不清彼此的雙胞胎，他們心靈相通，即便天各一方，弟弟有難，哥哥即刻得知。“‘量子糾纏’就像這對有‘心靈感應’的雙胞胎。”美國科學傢、諾貝爾物理學獎獲得者弗蘭克·維爾切克說。
在微觀世界中，有兩個（或多個）共同來源的微觀粒子，即使隔著太陽系，隻要其中一個粒子狀態發生變化，其他粒子狀態立即發生相應變化，這就是被愛因斯坦稱作“幽靈般的超距作用”的“量子糾纏”。處於糾纏態的粒子，無論相隔多遠，測量其中一個粒子必然會影響其他粒子，這被稱為量子力學非定域性。
量子力學建立初期，“糾纏”現象就引起所有物理學傢的好奇，也一直深深困惑著他們。作為量子力學的創始人之一，愛因斯坦1935年在一篇論文中提出，量子力學允許相距遙遠的物體之間存在某種奇特的關聯，即糾纏。兩個處於糾纏態的量子，發生“心靈感應”有多快？潘建偉團隊在國際上首次用實驗證明，量子“心靈感應”速度至少為光速的一萬倍。
量子糾纏分發，就是把制備好的兩個糾纏粒子（通常為光子）分別發送到相距很遠的兩個點，通過觀察兩個點的統計測量結果，來驗證量子力學非定域性的存在。潘建偉介紹，量子糾纏是一種非常奇特、無處不在的物理現象，它顛覆瞭常理，卻廣泛應用於量子保密通信、量子計算模擬和量子精密測量等各個領域。
近年來，潘建偉團隊先後在國際上首次成功制備5光子、6光子、8光子、10光子量子糾纏態。 2016年1月，他們完成的“多光子糾纏及幹涉度量”項目，奪得國傢自然科學獎一等獎。 2016年8月，他們主導研制的世界首顆量子科學實驗衛星 “墨子號”發射升空。 2016年底，他們牽頭負責的世界首條千公裡量級量子保密通信骨幹網“京滬幹線”全線貫通。今年5月，他們主導研制的世界首臺超越早期經典計算機的光量子計算機誕生，比人類歷史上首臺電子管計算機和首臺晶體管計算機運行速度快10～100倍。
一步千裡 實驗解答“百年之問”
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“這是個人的一小步，卻是人類的一大步。 ”首位登上月球的美國前宇航員阿姆斯特朗說。從百公裡到千公裡，“墨子號”在世界上率先成功實現千公裡級的星地雙向量子糾纏分發，將量子糾纏分發的世界紀錄提高瞭一個數量級，正是人類科技發展的 “一大步”。 6月16日，國際權威學術期刊《科學》以封面論文形式發表瞭該成果，並稱之為“裡程碑式的研究”。
對於量子糾纏，愛因斯坦承認這一神奇現象的存在，但“百思不得其解”。由於當時缺乏檢驗能力，他認為是量子理論“還不完備”，因此近百年來一直吸引著後人去驗證。
量子糾纏非常脆弱，用傳統的方法進行分發，會隨著光子在光纖內或地表大氣中的傳輸距離而衰減。 “使用光纖進行量子糾纏分發，傳輸百公裡距離，損耗已達99%；傳輸上千公裡的距離，每送1個光子大約需要3萬年。 ”潘建偉說，傳統的量子中繼技術，由於受到量子存儲壽命和讀出效率等因素的嚴重制約，一直無法實際應用於遠程量子糾纏分發。
“光子在真空中可以無障礙傳輸，進入大氣層後隻有10公裡左右的距離，整個信道損耗小。 ”潘建偉指出，借助衛星，則有望在全球尺度上實現超遠距離的量子糾纏分發。
在這被譽為史詩級的實驗中，潘建偉團隊利用“墨子號”衛星，在距離地球500公裡的太空中，同時與青海德令哈站和雲南麗江站兩個地面站建立光鏈路，每對處於糾纏狀態光子中的一個發向青海德令哈站，另一個發向雲南麗江站，兩個地面站之間的距離達1203公裡，糾纏特性在千公裡尺度上仍然存在。這一實驗在創造量子糾纏分發距離世界紀錄的同時，首次實現瞭空間尺度下嚴格滿足“愛因斯坦定域性條件”的量子力學非定域性檢驗。 “這是‘墨子號’衛星上天以來發佈的最大成果。 ”“墨子號”科學應用系統總設計師、中科大研究員彭承志表示。
《科學》雜志審稿人認為，這一成果是 “兼具潛在實際應用和基礎科研重要性的重大技術突破”，“毫無疑問將在學術界和廣大社會公眾中產生非常巨大的影響”。 “這項工作是糾纏分發技術的一個真正突破，表明遠距離量子通信確實在技術上可行，讓人們看到瞭在不久的未來構建遠程量子通信的希望。 ”美國麻省理工學院必買推薦凱克極限量子信息理論中心主任塞思·勞埃德說。
搶占先機 “量子革命”揚帆起航
“‘墨子號’千公裡級星地雙向量子糾纏分發的實現，是中科大與兄弟單位跨界合作所結出的碩果，跨界合作也為創建量子信息國傢實驗室積累瞭寶貴的經驗。 ”潘建偉表示，他們與兄弟單位在前期合作過程中建立瞭一種非常好的協同創新機制，為將來多學科交叉協同創新、大體量大規模科學探索，找到瞭一條行之有效的科學路徑。
一步千裡的史詩級成果，就是由潘建偉團隊與中科院上海技術物理研究所王建宇研究組、微小衛星創新研究院、光電技術研究所、國傢天文臺、紫金山天文臺、國傢空間科學中心等合作完成。 “利用衛星進行遠距離量子糾纏分發，對衛星精準度和儀器靈敏度要求極高。 ”王建宇介紹，就精準度而言，就像從萬米高空的飛機上扔下一串硬幣，在地上用一個旋轉的儲錢罐接住，而且硬幣必須從儲錢罐細長的口中進去。 “如果嫦娥在月球上劃一根火柴，地面上的設備馬上就能發現，而且能捕捉到這一微弱的光。 ”王建宇坦言，正是跨界合作解決瞭這些“世界難題”。
量子力學理論自上世紀初提出以來，在實驗上不斷得到支持和驗證，催生瞭激光、晶體管、全球衛星定位系統等一系列改變世界面貌的重大發明，被稱為“第一次量子革命”。新世紀以來，世界主要國傢紛紛制定計劃、投入巨資，把量子科學作為未來的戰略制高點，“第二次量子革命”大幕拉開。在新一輪量子革命中，潘建偉團隊搶占先機，已經站在瞭世界最前沿。
“目前，在量子通信領域，我們扮演著領跑的角色。”潘建偉說，“墨子號”上天後，國際同行紛紛表達瞭合作需求，北京與維也納之間的第一次洲際量子密鑰分發有望在下月中旬開展。他介紹，高速星地量子密鑰分發、星地雙向量子糾纏分發、星地量子隱形傳態，是“墨子號”三大科學任務。除瞭量子糾纏分發實驗外，預計今年會有更多科學成果發佈。
“墨子號”的作用，不僅僅是這三大科學實驗，它還可以檢驗量子引力模型、驗證時空連續性，並有望與引力波探測相結合……“‘墨子號’是一種全新的科學研究工具，用它可以推開一扇扇我們甚至還沒想象出的科學之門。 ”潘建偉透露，未來5年，他們計劃通過發射中高軌衛星，使現在一天僅幾分鐘的實驗時間進一步延長，實現全天候工作，最終走向實用化。
第一顆人造衛星、第一艘載人宇宙飛船由前蘇聯發射，但最早登月的是美國；原子彈是德國最先研制，但最早造出來是美國……“現在領跑，不等於永遠領跑。 ”潘建偉呼籲，為使我國團隊繼續領跑世界，希望國傢嘗試發射更多量子衛星，這些衛星能發出更強、雜質更少的光束；希望能與國傢探月工程結合，最終實現在月球上向地球發射糾纏光子對。
《安徽日報》 2017年6月27日 第11版科技大觀 http://epaper.anhuinews.com/html/ahrb/20170627/article_3574221.shtml
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