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文章来源:中国科学报    发布时间:2018-02-23 22:53:34  【字号:      】


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  千余公里之外,量子纠缠还在。中国试验答复爱因斯坦之惑

  量子通讯研讨 中国持续领跑

  6月16日,我国科学家应用“墨子号”量子科学试验卫星在国际上率先胜利实现了千公里级的星地双向量子纠缠分发,并在此基本上实现了空间标准下严厉满足“爱因斯坦定域性条件”的量子力学非定域性检验,为未来开展大标准量子网络和量子通讯试验研讨,以及开展外太空广义相对论、量子引力等物理学基础原理的试验检验奠定了可靠的技巧基本。

  这项结果是中国科学技巧大学教授潘建伟及其同事彭承志等组成的研讨团队,结合中国科学院上海技巧物理研讨所王建宇研讨组、渺小卫星创新研讨院、光电技巧研讨所、国度天文台、紫金山天文台、国度空间科学中心等,在中国科学院空间科学战略性先导科技专项的支撑下研讨宣布的。同日,相干结果以封面论文的情势发表在国际威望学术期刊《科学》杂志上。

  两个纠缠在一起的量子,相隔多远都可瞬间互相影响

  2016年8月16日,我国胜利发射首颗量子科学试验卫星“墨子号”,这是中国科学院空间科学先导专项首批科学试验卫星之一。

  量子是物理世界里最小的、不可再分割的能量单位。量子纠缠是量子的两个巧妙特征之一。“它是两个(或多个)粒子共同组成的量子状况,无论粒子之间相隔多远,测量其中一个粒子必定会影响其它粒子。两个纠缠在一起的量子就好比是一对有心电感应的双胞胎,不管两人距离多远,千公里量级或者更远,只要当其中一个人的状况产生变更时,另一个人的状况也会跟着产生一样的变更。”潘建伟说,“这种现象被称为量子力学非定域性。量子纠缠所体现的非定域性是量子力学最神奇的现象之一。”

  爱因斯坦称量子纠缠为“鬼魅般的超距作用”,他以为这种效应的发生可能是由某种人们目前可能还暂时无法懂得的所谓“隐变量”把持的。那么,爱因斯坦到底说得对不对呢?

  1964年,物理学家约翰·贝尔提出了一个试验计划,能够进行检验。“这也就是量子纠缠分发试验。让一台机器把制备好的一对对纠缠粒子(通常为光子)不断分辨向两个方向发射,然后随机沿着不同的角度,分辨对纠缠光子的偏振方向进行测量。”中国科技大学研讨员、量子科学试验卫星科学利用体系总师兼卫星体系副总师彭承志说,“如果测量成果满足贝尔不等式的话,阐明爱因斯坦是对的;否则,证明量子力学非定域性是真实存在的。”

  验证量子纠缠在更远距离是否存在,要到太空去试验

  在量子纠缠分发试验中,为了保证测量事件的类空间隔,科学家总是要将两个探测装置相隔必定距离放置。他们每做完一轮试验都会想,如果距离再远一些,量子纠缠是否仍然存在?

  然而,由于量子纠缠非常懦弱,它会随着光子在光纤内或者在地表大气中的传输距离而衰减。也就是说,如果在地面做这个试验,传输的距离就不可能太长。

  “即使采取目前最先进的幻想单光子探测器,在1200公里光纤中进行点对点量子通讯,每3万年也只能传输一个比特。就好比一支拥有100万人的队伍,到最后可能只剩下几个人,花了很长时光才干抵达目标地。”潘建伟说,“这导致了在远距离上信息传递效力很低,所以之前的量子纠缠分发试验只停留在百公里的距离。”

  怎样才干使量子纠缠分发的距离进一步扩大到更远呢?潘建伟说,目前理论上有两种道路。一种是应用量子中继,即分成若干段传输来下降每一段的损耗,用“量子接力”的方法解决这一难题。但是,目前这种道路仍然受到量子存储寿命和读出效力等因素的严重制约而无法实际利用。

  “另一种就是应用卫星平台。因为在太空中,卫星轨道邻近基础上是真空,大部分空气都贴在地球表面。所以,从太空中向地面发射纠缠光子,受到的干扰会比拟小,损耗也小,联合卫星的中转,有望在全球标准上实现超远距离的量子纠缠分发。”潘建伟说,“我们研讨团队决议选择用这种道路来扩大量子纠缠分发的距离,并于2003年就提出了应用卫星实现远距离量子纠缠分发的计划。”

  卫星过境时,在1200公里间实现星地双向量子纠缠分发

  此次试验是如何进行的?

  “‘墨子号’过境时,同时与青海德令哈站和云南丽江高美古站两个地面站树立光链路。”中科院上海技巧物理研讨所研讨员、量子科学试验卫星工程常务副总师、卫星体系总指挥王建宇说,卫星上的纠缠源载荷每秒发生800万个纠缠光子对,树立光链路可以以每秒1对的速度在地面超过1200公里的两个站之间树立量子纠缠,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。

  潘建伟说:“在封闭局域性破绽和测量选择破绽的条件下,我们获得的试验成果以4倍尺度偏差违反了贝尔不等式,即在千公里的空间标准上实现了严厉满足‘爱因斯坦定域性条件’的量子力学非定域性检验。”

  《科学》杂志的审稿人称颂该结果是“兼具潜在实际现实利用和基本科学研讨主要性的重大技巧突破”。

  潘建伟表现,应用所发展的量子纠缠分发技巧,研讨团队正在开展试验创立密钥,以实现天地间的信息传输。目前量子通讯的一个重要的挑衅是,如何在白天有大批光量子的情形下辨别并接受到量子卫星的信号,以实现量子通讯。“墨子号”卫星的其他主要科学试验义务,包含高速星地量子密钥分发、地星量子隐形传态等,也在紧张顺利地进行中,预计今年会有更多科学结果陆续宣布。(记者 吴月辉)

  【我要纠错】 义务编纂:宋岩

材料图:2016年12月30日,王菲《幻乐一场》上海演唱会在上海举办。图片起源:视觉中国



(责任编辑:侯茜)

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