中国科学家利用“墨子号”量子科学实验卫星，在国际上率先实现千公里级的量子纠缠分发，证明这种令爱因斯坦都感到困惑的“遥远地点间的诡异互动”在这样大的尺度上依然存在。
2016年11月9日，在河北兴隆观测站，“墨子号”量子科学实验卫星过境，科研人员在做实验（合成照片）。新华社记者 金立旺 摄
世界首颗量子卫星“墨子号”首席科学家、中国科学院院士潘建伟说，这是首次实现空间尺度严格满足“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。
6月16日国际权威学术期刊《科学》杂志以封面论文的形式刊登了中国科学家在空间量子物理研究方面取得的重大突破。
“幽灵作用”：世纪争论
量子纠缠是量子物理中一个最深远和最令人费解的现象，被爱因斯坦称为“鬼魅般的超距作用”，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。
尽管是量子力学的创始人之一，但爱因斯坦不相信存在“遥远地点间的诡异互动”，他认为量子力学对客观世界的描述是不完备的，量子力学一定还有某些因素尚待发现。然而量子力学的另一位创始人——玻尔认为量子力学没有问题，这种奇异现象是存在的。20世纪二三十年代，量子力学就在他们的争论中发展起来。
到底哪一方理论正确，需要实验来检验。
20世纪60年代，爱尔兰物理学家贝尔原本支持爱因斯坦的观点，他设计出一个数学公式，也就是贝尔不等式，提供了用实验在玻尔与爱因斯坦不同观点之间做出判决的机会。目前科学家所进行的所有实验都支持玻尔一方的观点。
然而，目前的实验还存在漏洞。此外，量子纠缠在更远的距离上是否仍然存在？会不会受到引力等其它因素的影响？潘建伟说，这些基本物理问题的验证都需要实现上千公里甚至更远距离的纠缠分发；另一方面，要实现广域的量子网络也自然要求远距离的纠缠分发。
潘建伟说，由于量子纠缠非常脆弱，会随着光子在光纤内或者地表大气中的传输距离而衰减，以往的量子纠缠分发实验只停留在百公里的距离。
他说，理论上有两种途径可以扩展量子纠缠分发的距离。一种是利用量子中继，尽管量子中继的研究在近些年已取得了系列重要突破，但是目前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于远程量子纠缠分发。另一种是利用卫星，因为星地间的自由空间信道损耗小，在远程量子通信中比光纤更具可行性，结合卫星的帮助，可以在全球尺度上实现超远距离的量子纠缠分发。
2016年12月10日，在西藏阿里观测站，“墨子号”量子科学实验卫星过境，科研人员在做实验（合成照片）。新华社记者 金立旺 摄
“墨子号”：世界首次空间尺度实验
潘建伟团队早在2003年就提出了利用卫星实现远距离量子纠缠分发的方案，随后于2005年在国际上首次实现了水平距离13公里的自由空间双向量子纠缠分发。2010年，该团队又在国际上首次实现了基于量子纠缠分发的16公里量子态隐形传输。
2011年底，中科院战略性先导科技专项“量子科学实验卫星”正式立项。2012年，潘建伟领导的团队在青海湖实现了首个百公里的双向量子纠缠分发和量子隐形传态，充分验证了利用卫星实现量子通信的可行性。
中国科学技术大学潘建伟教授及其同事彭承志等组成的研究团队，联合中科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经过艰苦攻关，克服种种困难，最终研制成功了“墨子号”量子科学实验卫星。卫星于2016年8月16日在酒泉卫星发射中心发射升空。星地量子纠缠分发是卫星的三大科学实验任务之一。
据介绍，“墨子号”卫星过境时，同时与青海德令哈站和云南丽江站两个地面站建立光链路，量子纠缠光子对从卫星到两个地面站的总距离平均达2000公里。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。
量子卫星工程常务副总师兼卫星总指挥王建宇说，这项天地实验非常困难，量子卫星上的光轴与地面望远镜光轴要严格对准，用一个形象的比喻就是针尖对麦芒。卫星的对准精度高于普通卫星的10倍，实验才能顺利展开。真正的问题在于，这颗卫星将在人们的头顶以约8公里/秒的速度飞驰，地面观测站每次只能持续跟踪几分钟。
王建宇说：“卫星的对准精度就好比我们在一万米高空的飞机上，向地面扔一个一个硬币，要准确投入储蓄罐狭长的投币口内，而储蓄罐还在慢慢旋转中；或者说从上海发射一束光，要瞄准北京任何一扇窗户，指哪打哪。而卫星的探测灵敏度也是国际上最高的，相当于在月球划一根火柴，在地球上都能看到。”
潘建伟：目前为止最重要的研究成果
据介绍，“墨子号”开展的量子纠缠分发实验在关闭局域性漏洞和测量选择漏洞的条件下，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，再次支持了玻尔的观点。
《科学》杂志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”，“绝对毫无疑问将在学术界和广大的社会公众中产生非常巨大影响”。
“到目前为止，这是我一生中最重要的实验研究成果。”已从事量子物理研究20多年，并获得过国家自然科学一等奖的潘建伟说：“我们首次能在太空尺度对微观物理学定律检验，而且为将来开展量子引力检验，探索物理学中的很多基本规律奠定了必要的技术基础，打开了一扇大门。这些技术将来还能应用于建设量子网络。”
接下来，中国科学家还计划利用量子卫星，在中国和奥地利的地面站之间实现量子秘钥分发，在北京与维也纳之间实现量子加密通话，此外，加拿大等国家也提出与中国合作开展相关实验。
王建宇说：“目前‘墨子号’还只能晚上工作，我们希望未来发展技术，可以实现24小时都工作。现在卫星每天真正过境工作时间只有200至300秒，我们希望未来能发射中高轨卫星，使量子卫星走向实用。”
潘建伟还有更为长远的目标，希望在地月之间建立30万公里的量子纠缠，并研究引力与时空的结构。
“下一步，我们希望能在地月拉格朗日点上放一个光源，向人造飞船和月球分发量子纠缠。我们希望能够通过对30万公里或者更远距离的纠缠分发，来观测其性质的变化，对相关的理论作出解释。”
据介绍，除了量子纠缠分发实验外，“墨子号”量子科学实验卫星的其它重要科学实验任务，包括高速星地量子密钥分发、地星量子隐形传态等，也在顺利进行中，预计今年会有更多的科学成果陆续发布。
