升空整整10個(gè)月之后，“墨子號”終于再次傳來好消息,，當(dāng)?shù)貢r(shí)間6月15日,，《Nature》雜志頭版刊登出了中國“墨子號”量子衛(wèi)星首次實(shí)現(xiàn)上千公里量子糾纏的消息，相較于此前144公里的最高量子傳輸距離紀(jì)錄,，這次跨越意味著絕對安全的量子通信又進(jìn)一步貼近了實(shí)用,。
圖丨《Nature》雜志封面
根據(jù)了解，此次接收量子信號的兩個(gè)地面站分別是青海德令哈站和云南麗江高美古站,，兩地相距1203公里,，衛(wèi)星的工作高度約為500公里。而在每晚僅有5分鐘的時(shí)間窗口期間之內(nèi),，研究團(tuán)隊(duì)要保證做到兩地可以同時(shí)接收到衛(wèi)星所發(fā)出來的信號,，功夫不負(fù)有心人，此次試驗(yàn)取得圓滿成功,。
而實(shí)際上,，“墨子號”的高超能力從研制開始就已經(jīng)顯現(xiàn)出來了，當(dāng)時(shí)就已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了每秒一次量子糾纏的效率,，比原有的預(yù)期要快了10倍,。而“墨子號”團(tuán)隊(duì)的負(fù)責(zé)人潘建偉也表示，他們已經(jīng)啟動運(yùn)用量子糾纏技術(shù)創(chuàng)建密鑰的相關(guān)實(shí)驗(yàn)了,，不過他們暫時(shí)并不準(zhǔn)備對外公布實(shí)驗(yàn)結(jié)果,。
圖丨量子衛(wèi)星的工作示意
長期以來，量子糾纏作為一種神秘現(xiàn)象始終被局限于物理的研究領(lǐng)域,，它具體表現(xiàn)為量子進(jìn)入一種疊加狀態(tài),，即其量子特征在同一時(shí)間處于不同狀態(tài)。像薛定諤的貓一樣,，在同一時(shí)間可能存在生和死兩種狀態(tài),。物理學(xué)家已經(jīng)成功實(shí)現(xiàn)了多種粒子的糾纏，比如電子和光子，以及超導(dǎo)電路這類大規(guī)模應(yīng)用,。
理論上說,，即使處于糾纏態(tài)的物體被分開，它們的不穩(wěn)定的量子態(tài)仍然保持某種聯(lián)系,，直到其中一個(gè)被測量或被擾亂,。人為測量可以同步?jīng)Q定了另一個(gè)的狀態(tài)，無論距離多遠(yuǎn),，這一結(jié)論都會奏效,。雖然想法看上去很違反常識，甚至連愛因斯坦都曾評價(jià)它是“遙遠(yuǎn)的幽靈活動”（spooky action at a distance）,。
然而,，從20世紀(jì)70年代開始，物理學(xué)家開始研究增加距離可能會帶來的影響,。在2015年進(jìn)行過一項(xiàng)非常復(fù)雜的實(shí)驗(yàn),，對相隔1.3公里處于糾纏態(tài)的電子進(jìn)行測量，驗(yàn)證了這種“遠(yuǎn)距離的幽靈活動”是真實(shí)存在的,。
除了基礎(chǔ)理論研究,，量子糾纏特性最重要的還在于廣闊的應(yīng)用前景，其中最重要的當(dāng)屬防范黑客,、提升保密的安全等級,。長距離的量子糾纏是安全通信的“量子鑰匙”。任何對加密信息的破解嘗試都會對分享的鑰匙產(chǎn)生干擾,，進(jìn)而提醒通訊者注意自己的信息安全,。
但棘手的問題在于，糾纏態(tài)的量子會在通過空氣等介質(zhì)的時(shí)候急劇衰減,。所以,，目前量子秘鑰的最長距離也就只有幾百公里。作為解決辦法,，量子中繼器(Quantum repeaters)能夠通過放大量子信號的方式延展網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍,，但這一技術(shù)尚未成熟。許多物理學(xué)家于是夢想通過衛(wèi)星在幾乎真空的太空環(huán)境中傳輸量子信號,。
“當(dāng)你有衛(wèi)星在全球范圍內(nèi)傳輸信號的時(shí)候,，一切就都不成問題了?！蔽靼嘌绹已芯克目茖W(xué)家 Verónica Fernández Mármol 表示，“量子衛(wèi)星的跨越使得我們在光纖傳輸中遇到的所有問題都迎刃而解,?！?/p>
圖丨西班牙科學(xué)家 Verónica Fernández Mármol
而實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的正是中國的潘建偉團(tuán)隊(duì)，據(jù)悉，這個(gè)以中國古代哲學(xué)家的名字命名的量子衛(wèi)星總共耗資約一億美元,，建成之后會極大提升中國在該領(lǐng)域的競爭能力,，做到可以和美國并駕齊驅(qū)的地位。
但實(shí)驗(yàn)操作本身并不容易,，在本次實(shí)驗(yàn)中,，研究團(tuán)隊(duì)向衛(wèi)星上的一種特殊晶體發(fā)射了一束激光。該晶體會釋放一對偏振方向相反的糾纏光子,；然后,，兩個(gè)光子分別被發(fā)射到相距1203公里遠(yuǎn)的德令哈和麗江。在西藏的高山上,，稀薄的空氣令光子不那么容易衰弱,。本周內(nèi)，該團(tuán)隊(duì)已經(jīng)報(bào)道同時(shí)測量到了1000個(gè)光子對,，并發(fā)現(xiàn)偏振方向相反的對數(shù)遠(yuǎn)超預(yù)想的隨機(jī)對數(shù),，因此確定刷新了“量子糾纏”的距離記錄。
過程中,，研究團(tuán)隊(duì)必須克服許多障礙,，例如，衛(wèi)星以約每秒8公里的速度在太空中飛行,，科學(xué)家需要想方設(shè)法將衛(wèi)星發(fā)回的光子束聚焦在地面站上,。新加坡國立大學(xué)物理學(xué)家亞歷山大·林（Alexander Ling）說：“這是一項(xiàng)非常具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)，也非常值得嘗試,?！钡牵琇ing指出,，潘建偉團(tuán)隊(duì)從衛(wèi)星發(fā)送的光子束中,，大約每600萬光子只收回了一個(gè)，這一表現(xiàn)雖然遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于地面實(shí)驗(yàn),，但是離量子通信邁向?qū)嶋H應(yīng)用仍有距離,。
圖丨新加坡物理學(xué)家Alexander Ling
潘建偉希望中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心可以嘗試發(fā)射更多的衛(wèi)星，這些衛(wèi)星能夠發(fā)出更強(qiáng),、雜質(zhì)更少的光束,，甚至在陽光照射下也能檢測到（“墨子號”目前只能在夜間環(huán)境下工作）。
“在接下來的5年里,，我們計(jì)劃推出一些真正實(shí)用的量子衛(wèi)星”,，他說。
與此同時(shí),，潘建偉將使用“墨子號”向地面站發(fā)射量子密鑰,，這需要波長更長的光子和更多的步驟,。另外，潘建偉團(tuán)隊(duì)將在中國和奧地利的空間站之間進(jìn)行洲際量子密鑰的傳送,，他還計(jì)劃在西藏天文臺與空間衛(wèi)星中進(jìn)行量子星地通信,。
圖丨潘建偉及其團(tuán)隊(duì)
其他國家和地區(qū)也正在加快他們的量子空間實(shí)驗(yàn)研發(fā)腳步：Ling正在與澳大利亞的物理學(xué)家們合作一個(gè)在兩顆衛(wèi)星之間發(fā)送量子信息的項(xiàng)目；加拿大航天局最近宣布將資助小型量子衛(wèi)星的研發(fā)項(xiàng)目,；歐洲和美國的研究團(tuán)隊(duì)計(jì)劃將量子儀器帶上國際空間站,。
曾推動歐洲航天局的量子衛(wèi)星研發(fā)計(jì)劃的奧地利物理學(xué)家 Anton Zeilinger 表示，他們的實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)之一是測試量子糾纏是否會受到引力場的影響,，具體可以通過比較軌道弱重力環(huán)境中某個(gè)光子及其量子糾纏對象的狀態(tài)實(shí)現(xiàn),，而類似這樣的實(shí)驗(yàn)可謂少之又少。
圖丨奧地利物理學(xué)家 Anton Zeilinger
Zeilinger則認(rèn)為,，潘建偉證明“中國做出了正確的決定”,。“我個(gè)人認(rèn)為,，未來的互聯(lián)網(wǎng)將建立在量子理論的基礎(chǔ)之上,，”他說。
總而言之,，量子通信衛(wèi)星的這次成果意義重大,，不僅證明了量子態(tài)在超長距離（1203公里）下仍保持其糾纏特性，刷新了之前在地面上通過光纖傳輸?shù)挠涗?。更重要的是,，此次?shí)驗(yàn)驗(yàn)證了基于衛(wèi)星的量子通信模式的可行性，理論上說在地球上的任意兩地都可以借助衛(wèi)星進(jìn)行量子保密通信,，為未來更遠(yuǎn)距離量子保密通信打下了基礎(chǔ),，伴隨著大動態(tài)范圍、高穩(wěn)定性衛(wèi)星控制技術(shù)的發(fā)展,，全球化量子衛(wèi)星通信的愿景愈發(fā)清晰,。