墨子号量子卫星首次实现千公里级量子纠缠分发

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人民网合肥6月16日电(记者赵)记者从中国科学院获悉，最近，中国科学家在量子物理研究方面再次取得重大突破。研究团队由中国科技大学潘建伟教授和他的同事彭承志以及上海技术物理研究所王建宇研究组、微卫星创新研究所、光电技术研究所、国家天文台、紫金山天文台、National/きだよ 0号科学中心等组成。，在战略上引领中国科学院的科技。利用墨子量子科学实验卫星，国际上成功实现了卫星与地面之间数千公里的双向量子纠缠分布，并在此基础上实现了在空尺度上严格满足爱因斯坦局域性条件的量子力学非局域性测试。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》上。

源于一种“英雄”的异想天开

"量子纠缠是物理学中的一个基本概念."中国科学院院士、中国科技大学教授、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为“鬼魅距离作用”，是由两个(或多个)粒子组成的量子态。无论粒子相距多远，测量一个粒子不可避免地会影响其他粒子，这被称为量子力学的非局域性。

"量子纠缠所体现的非局域性是量子力学中最神奇的现象之一."潘剑伟说，量子纠缠分布是把两个准备好的纠缠粒子(通常是光子)送到相距很远的两点。通过观察两点的统计测量结果是否破坏了贝尔不等式，可以用来验证量子力学中非局域性的存在。“同时，量子纠缠建立的量子通道也是构建量子信息处理网络的基本单元。”

为了实现长距离量子分布，潘建伟团队于2003年提出了一种利用卫星实现长距离量子纠缠分布的方案。“这在当时是一个异想天开的、非常英雄的想法，甚至是一种小小的悲剧感。”回顾自己十多年前的创业经历，潘剑伟印象深刻。

有些人支持它，有些人反对它。潘剑伟的团队在争论中向前推进。在随后的几年里，他们遵循这一理念，努力解决关键问题，克服许多困难，并成功地完成了一系列初步实地核查。最后，2016年成功研制并发射了墨子量子科学实验卫星，世界上首次在空规模上进行了量子纠缠分布实验。

首次实现了数千公里的量子纠缠分布

潘建伟介绍说，墨子量子科学实验卫星经过时，同时与青海德令哈站和云南丽江站建立了光链路，从卫星到两个地面站的量子纠缠光子对的总距离平均为2000公里。卫星上的纠缠源负载每秒钟产生800万个纠缠光子对，光链路可以以每秒一对的速度在地面上1200多公里的两个站之间建立量子纠缠。在1000公里空尺度上，实现了严格满足爱因斯坦局域条件的量子力学非局域测试。

“这种量子纠缠的传输衰减只有同等长度的最低损耗接地光纤的1万亿分之一。如果你用过去的方法，将一个纠缠的光子发射到几千公里之外需要3万年。现在你可以用量子卫星每秒发送一个。”潘建伟说，虽然这个量还有点“不够”，但至少在原则上已经实现了，如果将来传输量慢慢扩大，量子传输大量信息是可能的。

世界上最伟大的成就之一

潘建伟说，这一重要成果为今后大规模量子网络和量子通信的实验研究，以及对空广义相对论和量子引力等基本物理原理的实验检验奠定了可靠的技术基础。

正因为如此，《科学》杂志的几位评论者称赞这一成就是“一项重大的技术突破，具有潜在的实际应用价值和基础科学研究的重要性”，并断言“它肯定会对学术界和公众产生重大影响。”

中国科技大学研究员、卫星科学应用系统总工程师、量子科学实验卫星系统副总工程师彭承志回忆说，2003年他还是一名博士生，他的白发没有现在多。“当时，潘老师跟我们描述了量子通讯的前景，我问潘老师，这是好事吗？潘老师说它是世界上最好的。作为一个年轻人能做这样的事，我没有理由拒绝。”

“当然后来成功了。我感到非常自豪，有成就感。”彭承志说，从2003年开始参与这个项目，这个团队已经努力工作了14年，证明它具有科学意义和国际领先地位，现在越来越多的人加入这个团队来做这件事，他很高兴。

“在这样做之后，我感觉到了一个新的水平，觉得还有更多事情要做。例如，自由意志的验证，以及与引力波探测的结合等等。”彭承志说，这项技术将在未来对国家和国际科学界非常有用。“即使未来还有14年，也是非常值得的。”

然而，潘剑伟仍然有“严重的危机感”。他说，当它没有成功时，有许多疑问，现在它花了这么多时间去做，世界上所有的国家都表示，他们希望“尽可能地赶上来。”他说，现在是与时间赛跑，尽可能保持领先，不要被别人超越。

“我也希望得到更多人的支持，让我们做得更好。”潘剑伟说道。

“大团队”的合作成果

潘建伟说，这项成就是由一个“大团队”取得的。在中国科学院Sciences/き だよ 0号科学战略科技先导项目的支持下，由潘建伟教授和他的同事彭承志组成的研究团队与上海技术物理研究所王建宇研究组、微卫星创新研究所、光电技术研究所、国家天文台、紫金山天文台和National/き だ よ 0号科学研究院合作

潘建伟认为，这个实验的成功实施反映了建立国家量子信息实验室的必要性。“在研究过程中，我们需要每个单位的经验。在这一合作过程中，我们建立了良好的合作创新机制，也为今后开展多学科、大规模的科学探索找到了一条很好的途径。”

中国科学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工程师、卫星系统总指挥王建宇对此表示赞同。他说，量子卫星是一个从天到地的天地一体的实验系统，它能很好地工作，需要卫星和地面的合作，涉及多个部门。“这一成就确实得益于当前的科学研究体系，而‘国家实验室’确实是一个非常好的体系。”

彭承志说，作为世界领先的科研项目，墨子体现了科学与工程的完美统一。“我们必须在科学上领先，同时，我们必须在工程上有可靠的支持。这是成功的关键。”他介绍说，为了更好地实现科学目标，在卫星的设计方面已经做了很多努力。例如，原来桌子大小的激光器被做成拇指那么大，实现了自主控制。

技术进入成千上万的家庭至少需要十年时间

潘建伟介绍说，除了量子纠缠分布实验，墨子量子科学实验卫星还承担了其他重要的科学实验任务，包括高速星地量子密钥分配、地球-卫星量子隐形传态等。，也进展顺利，预计今年将陆续公布更多的科学成果。

潘建伟透露，《墨子》将在7月左右举办展览，实现从维也纳到北京的安全加密视频会议。“目前，技术已经相当成熟。之后，通过对中高轨道卫星的研究，有望在“十三五”末真正满足现实中的保密通信需求。”但是如果你最终接触到成千上万的家庭，可能需要十年或更长时间。"