中國科學家用嚴格的科學實證，回答了愛因斯坦的「百年之問」！
在河北興隆觀測站，「墨子號」量子科學實驗衛星過境，科研人員正在做實驗（合成照片）。
「鬼魅般的超距作用」——近百年前，愛因斯坦對量子糾纏提出疑問，激勵著幾代科學家不斷研究驗證。科學探索的過程，也催生了「量子革命」，孕育出激光、半導體、核能等革命性技術，改變人類文明進程。
在新時期，越來越多中國科學家投身到科學高峰的攀登之旅。
中國科學院聯合研究團隊，在中科院空間科學戰略性先導科技專項的支持下，近日利用「墨子號」量子衛星在國際上率先成功實現了千公里級的星地雙向量子糾纏分發，被國際同行稱為「處於世界領先地位」。
量子糾纏分發示意圖
證實「鬼魅般超距作用」，回答愛因斯坦「百年之問」
「當兩個量子發生『糾纏』，一個變了，另一個也會『瞬變』，無論它們之間相隔多遠。」
——如同「心靈感應」，這就是量子力學理論中神奇的「量子糾纏現象」。近百年前，作為量子力學的開創者之一，愛因斯坦也「百思不得解」。由於當時缺乏檢驗能力，他認為，或許是量子理論「還不完備」。
德令哈站、阿里站、麗江站跟蹤「墨子號」量子科學實驗衛星的實景視頻
一代一代的學者對這種「鬼魅般的超距作用」進行研究，但由於量子糾纏「太脆弱」，會隨著光子在光纖內或地表大氣中的傳輸距離而衰減，以往的實驗只停留在百公里距離，量子糾纏仍然存在「漏洞」。
6月16日，中國科學技術大學潘建偉教授及其同事彭承志等組成的研究團隊宣布，日前利用「墨子號」量子衛星在國際上率先成功實現了千公里級的星地雙向量子糾纏分發，並在此基礎上實現了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。
國際權威學術期刊《科學》以封面論文的形式發表了該成果。
這是什麼意思？也就是說，通過「墨子號」衛星，從太空將一對相互「糾纏」的量子「分發」到青海德令哈和雲南麗江兩個地面站，通過數千對量子的實驗檢驗，發現在兩個相距超過1200公里的實驗站之間，量子的「糾纏效應」仍然有效。
中國科學家用嚴格的科學實證，回答了愛因斯坦的「百年之問」。
「墨子號」量子科學實驗衛星與阿里量子隱形傳態實驗平台建立天地鏈路（2016年12月10日攝）。
進入千公里數量級，是一個質的飛躍。
潘建偉解釋，根據科學家構建的理論模型，引力會對量子糾纏產生一種退化效應。不進入千公里級別去設計實驗，始終無法驗證量子力學的完備性。
2003年開始，潘建偉團隊就開始實驗長距離量子糾纏。從13公里到100公里，他的團隊一步一步走來，始終處於國際引領位置。最終通過太空中的「墨子號」衛星，把科學家一直假想的實驗變成了現實。
2016年12月10日，在西藏阿里，科研人員在鐵皮屋裡合影留念。
實驗須「上天」，為現代物理提供全新探索技術
數百年前，伽利略架設起人類歷史上第一台天文望遠鏡，從此開啟了天文學的新時代。「墨子號」實驗成果也提供了一種全新探索手段，將為物理學的未來打開一扇門。
我們身處的時空是連續的嗎？
愛因斯坦、波爾等科學巨擘為我們描述的宇宙哪一個更加真實？
「墨子號」量子科學實驗衛星與阿里量子隱形傳態實驗平台建立天地鏈路（2016年12月9日攝）。
「從前沒有技術能力來做這樣的檢驗。」中科大微尺度物質科學國家實驗室研究員彭承志說，比如，讓光子走過很遠的距離，如果空間是不平滑的，就會產生振動。通過測量光子的偏振，反過來可以驗證哪個物理學的理論模型更準確。
不過，這種觀測的能量和尺度，不是地面實驗室條件可以完成的。在理論物理學界，陸續有學者提出，可以通過天文學上的觀測來檢驗這些物理原理，讓現代科學大廈的基座更加堅實。
潘建偉說，「墨子號」的最新實驗成果，為開展外太空廣義相對論、量子引力等物理學基本原理的實驗檢驗奠定了可靠的技術基礎。
除了科學基礎研究的重要作用之外，實驗結果也有實際應用價值。
麗江量子通信地面站望遠鏡發射紅色信標光，「等待」「墨子號」過境（2016年12月22日攝）。
「可以通過遠距離量子糾纏來分發量子秘鑰，進而構建量子網路。」潘建偉說，把1個光子送到北京，1個光子送到合肥，二者距離1000多公里，這樣就可以在北京、合肥之間建立很好的量子通道，進行量子保密通信。
「墨子號」星地傳送距離約1200公里，也不算很遠，為什麼不在地面上做實驗？
潘建偉解釋，因為光子通過地面光纖傳輸時，損耗很大，光纖會「吃掉」部分信號。普通信號削弱了可以放大，但量子糾纏的信號無法放大。
「量子糾纏如果用光纖傳送，把目前能想像到的、全世界最好的光纖都集中起來，架設1200公里，測算結果是大概3萬年才能傳送1個光子。」潘建偉說，通過衛星從外層空間傳送光子，損耗能減至萬億分之一，目前1秒鐘就能傳送1個光子，很快可以累積足夠的實驗數據。
2016年12月22日，在雲南麗江觀測站，潘建偉（前排右二）、王建宇（前排左一）、彭承志（後排右一）、印娟（後排右二）等科研人員正在做實驗。
迎接「第二次量子革命」，中國挺進最前沿
「墨子號」最新實驗成果16日在《科學》上發表時，這家國際權威學術期刊的幾位審稿人斷言，「毫無疑問將在學術界和廣大的社會公眾中產生非常巨大影響」。
讚譽很快接踵而至。美國波士頓大學量子技術專家謝爾吉延科評價，這是一個英雄史詩般的實驗，中國研究人員的技巧、堅持和對科學的奉獻應該得到最高的讚美與承認。
興隆量子通信地面站望遠鏡發射出紅色信標光（2016年11月25日攝）。
加拿大滑鐵盧大學量子技術專家延內魏因說，國際上確實存在量子科研競賽。這個中國團隊已克服了好幾個重大技術與科學挑戰，清楚地表明了他們在量子通信領域處於世界領先地位。
據了解，類似的實驗，歐盟、加拿大、日本都有科學家在呼籲和推進，或因技術積累不夠，或因資金支持不夠，目前進展緩慢。
「這是我這輩子目前為止做過最好的科學成果。」潘建偉說。
他把量子研究的突飛猛進歸功於中國「集中力量辦大事」的優勢：中科院上海技術物理研究所、微小衛星創新研究院、光電技術研究所、國家天文台、紫金山天文台、國家空間科學中心……
「墨子號」衛星的每一個部件都凝聚了各個科研機構的心血。
「墨子號」量子科學實驗衛星掠過阿里量子隱形傳態實驗平台上空（2016年12月9日攝）。
上海技物所研究員王建宇說，量子糾纏的遠距離分發對精度要求極高，就好像從萬米高空飛機上扔下一連串硬幣，在地面再用存錢罐接住。「現代科學普遍需要大團隊合作，中科院把科學和工程領域的精、尖力量結合了起來。」
「不同機構紛紛給我們提供所需的基礎元件，讓我們的創新想法有了很好的工程基礎。我在歐洲、美國、加拿大的同行，都曾有過這樣的科學設想，但沒有這樣的團隊全力支持。」潘建偉說。
「墨子號」量子科學實驗衛星與德令哈量子通信地面站建立天地鏈路（2016年12月19日攝）。
以量子衛星的最新實驗成果為代表，中國正在挺進量子研究的最前沿。今年５月，潘建偉團隊研發的世界上第一台超越早期經典計算機的光量子計算機問世。未來不久，將構建起全球首個天地一體化的實用性廣域量子通信網路。
去年年末，英國政府發布的《量子時代的技術機遇》報告中統計，中國在量子科技的論文發表上排在全球第一、專利應用排名第二。在「第二次量子革命」的起步階段，中國異軍突起進入「領跑陣營」。
國家戰略的支持，讓中國的量子科研工作者更加堅定信心。多位量子科研領軍學者認為，「第二次量子革命」將帶來巨大的技術和應用前景，也給我國帶來了從跟隨者、模仿者轉變為未來信息技術引領者的重大機遇。
太空之中，「墨子號」仍在不知疲倦地繞地旋轉。除了量子糾纏分發之外，高速星地量子密鑰分發、地星量子隱形傳態等重要科學實驗也在緊張順利地進行中。潘建偉說，預計今年會有更多的科學成果陸續發布。
延伸閱讀
2016年8月16日1時40分，我國在酒泉衛星發射中心用長征二號丁運載火箭成功將世界首顆量子科學實驗衛星（簡稱「量子衛星」）發射升空。我國空間科學研究又邁出重要一步。
這顆衛星被起名為「墨子」，以紀念那位生活於2000多年前，崇尚科學的中國古代思想家。他是世界上第一位開展光學實驗的科學家。
量子究竟是什麼？
量子是構成物質的基本單元，是能量的最基本攜帶者，不可再分割。比如，光子是光能量的最小單元，不存在「半個光子」，同理，也不存在「半個氫原子」「半個水分子」等等。量子世界中有兩個基本原理：
——量子疊加，就是指一個量子系統可以處在不同量子態的疊加態上。著名的「薛定諤的貓」理論曾經形象地表述為「一隻貓可以同時既是活的又是死的」。
——量子糾纏，類似孫悟空和他的分身，二者無論距離多遠都「心有靈犀」。當兩個微觀粒子處於糾纏態，不論分離多遠，對其中一個粒子的量子態做任何改變，另一個會立刻感受到，並做相應改變。
「墨子」到底能幹嘛？
衛星將在兩年的設計壽命中完成四大任務：
——星地高速量子密鑰分發實驗；
——廣域量子通信網路實驗；
——衛星向相距1200公里的地面站分發糾纏的光子，在更宏大的尺度上測試被愛因斯坦稱為「詭異的」量子糾纏現象；
——還計劃在「世界屋脊」西藏阿里和衛星之間實現量子隱形傳態實驗。
研究最詭異的幽靈現象
除了在建立量子通信網路方面的巨大應用價值，這顆世界上首個專門用於量子研究的空間探測器將為理解量子物理的一個最深遠和最令人費解的現象——量子糾纏邁出重要一步，將為物理學家提供一個測試量子理論基礎以及探索如何融合量子理論與愛因斯坦廣義相對論的全新平台。
量子物理世界一個奇異現象是糾纏效應，量子糾纏可以把兩個或者更多粒子的命運關聯在一起。
在這一奇特關聯中的粒子「心心相印」，無論它們是在同一間實驗室還是相隔整個星系，當測量其中一個狀態時，另一個狀態也會即刻發生相應改變。
形象點比喻，這就如同兩張相距甚遠的紙張，人們在其中一張紙上書寫的時候，另一張紙上會立刻顯現所書寫的信息。
愛因斯坦將其稱為「遙遠地點之間詭異互動」。但是為什麼會有這種現象？這依然是一個深奧的謎。
傳送不可破解的密碼
到時候，我們再也不用擔心自己的網上銀行、手機支付、信用卡被盜號……各種各樣的泄密事件也不會發生了。
儘管神秘、令人琢磨不透的量子力學還迷霧重重，科學家們卻已在利用量子世界的奇異特性開發威力強大的量子計算機和最為安全的量子通信。
量子計算利用量子態的疊加性質，可以實現計算能力的飛躍。太湖之光需要用100年計算的難題，量子計算機或許只需0.01秒。
然而，一些人對於量子計算機的恐懼多於期待。有專家指出，對於現有信息安全系統而言，一旦量子計算機橫空出世，它將成為一支「利劍長矛」，可以攻破現在所有的密碼。
所幸的是，量子物理同時提供了解決這一問題的辦法。
如果量子計算機是「利劍長矛」，那量子密鑰就是抵禦它的「堅固盾牌」，它提供了一種不可竊聽、不可破譯的新一代密碼技術。
中國科學院院士潘建偉說，量子密鑰分發就是在A和B之間共同生成一串只有他們兩邊知道的隨機數，然後用這個隨機數來加密。
量子密鑰一旦被截獲或者被測量，其自身狀態就會立刻發生改變，從而一定會被發送方察覺並規避。
由於量子密鑰分發是最先實用化的量子信息技術，一般所說的量子通信即是指的量子密鑰分發。
來源：新華社
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