中國量子衛星新成果九問:這個成果將來有什麼用?





新華社華盛頓6月15日電(記者林小春 黃堃)中國科學家在國際上率先做到千公里級的量子糾纏分發,相關論文成為新一期美國《科學》雜誌的封面文章。這項成果究竟有多「牛」?國內外多位專家進行了解讀。

問:這個成果的內容是什麼?

潘建偉(量子衛星項目首席科學家):「墨子號」量子科學實驗衛星在國際上率先做到千公里級的量子糾纏分發,並在此基礎上首次做到空間尺度嚴格滿足「愛因斯坦定域性條件」的量子力學非定域性檢驗,為未來開展大尺度量子網路和量子通信實驗研究,以及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。

2016年,8月16日01時40分,中國在酒泉衛星發射中心用長征二號丁運載火箭成功將全球首顆量子科學實驗衛星(簡稱量子衛星)發射升空。中新社記者 梁曉輝 攝
2016年8月16日01時40分,中國在酒泉衛星發射中心用長征二號丁運載火箭成功將全球首顆量子科學實驗衛星(簡稱量子衛星)發射升空。中新社記者 梁曉輝 攝

問:量子糾纏分發是怎樣做到的?

彭承志(量子衛星科學應用系統總設計師):「墨子號」衛星運行在500公里高的軌道上,衛星上的糾纏源設備每秒產生800萬個糾纏光子對。衛星經過中國上空時,同時與青海德令哈站和雲南麗江站兩個地面站建立光鏈路,跟瞄精度達到0.4微弧度,從而做到持續穩定的糾纏分發。我們以每秒1對的速度在地面超過1200公里的這兩個站之間建立兩個光子的量子糾纏,該量子糾纏的傳輸衰減僅僅是同樣距離地面光纖的一萬億分之一。

問:為什麼要用衛星開展量子糾纏分發實驗?

彭承志:量子糾纏非常脆弱,會隨著光子在光纖內或者地表大氣中的傳輸距離增加而衰減,以往的量子糾纏分發實驗只停留在100公里級的物理距離。星地量子糾纏分發作為「墨子號」衛星的主要科學實驗任務之一,是國際上首次在空間尺度上開展的量子糾纏分發實驗。

亞歷山大·謝爾吉延科(美國波士頓大學量子技術專家):使用移動衛星覆蓋全球距離的量子通信,已經成為現代量子光學和量子信息研究一個非常活躍的領域。這項技術需要發射衛星,需要與常規天文觀測望遠鏡很大不同的衛星跟蹤地面站。這同時是技術能力的挑戰和示範。

問:這個實驗創下了什麼樣的紀錄?

托馬斯·延內魏因(加拿大滑鐵盧大學量子技術專家):他們報告了迄今觀察到的最大距離的量子糾纏,超過1200公里,這是一個新的記錄。第一個在實驗室之外做的量子糾纏實驗是在1998年,距離為米級,當時被視為「令人驚嘆」;2007年,這個距離增至144公里;而現在他們證明量子糾纏能超過1000公里。

塞思·勞埃德(美國麻省理工學院量子技術專家):這項工作是糾纏分發技術的一個真正突破。通過分發源於衛星的高精度糾纏源的糾纏光子,這些作者在相隔1200公里的兩個光子之間建立起糾纏狀態,這個距離的量級遠高於之前的實驗。 問:如何看這個實驗的意義?

塞思·勞埃德:這項實驗表明遠距離量子通信確實在技術上可行,讓人們看到了在不久的未來構建遠程量子通信的希望。

彭承志:在關閉局域性漏洞和測量選擇漏洞的條件下,獲得的實驗結果以4倍標準偏差違背了貝爾不等式,在千公里距離上驗證了量子力學的正確性。

謝爾吉延科:這是驗證量子力學有效性的又一個決定性步驟。這個結果對現代量子物理學發展的影響無論怎樣評價都不為過。這是第一次演示,將來可能會有許多研究團隊使用現代技術解決方案改善運行參數,但這個實驗始終將是世界第一個成果。

問:如何評價中國科研人員?

托馬斯·延內魏因: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。自2000年以來,我一直從事這個方面的研究工作,因此我可以很好地證明這個中國團隊表現出的勇氣、奉獻和技巧。

謝爾吉延科:這是一個英雄史詩般的實驗,因為有許多不利因素可能破壞這個里程碑式實驗中光子糾纏的量子性質,這對研究人員很不利。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。

問:這是「墨子號」的最大成果嗎?

彭承志:這是量子衛星上天以來迄今為止的最大成果,除了量子糾纏分發實驗外,「墨子號」的其他科學實驗任務,包括高速星地量子密鑰分發、地星量子隱形傳態等,也在緊張進行中,預計今年會有更多的科學成果陸續發布。

問:這個成果將來有什麼用?

彭承志:最直接的一個應用,基於所做到的千公里糾纏分發,可以在兩地之間直接建立安全密鑰,這是目前無需借助可信中繼,在千公里的距離建立安全量子密鑰的唯一方式;另一個直接的應用是利用糾纏分發來做到量子隱形傳態方案,用於量子態的遠程制備和操縱,在分布式量子網路中非常有用。

問:下一步目標是什麼?

彭承志:下一步我們要在提升衛星的覆蓋範圍上攻關,通過高軌衛星或者「量子星座」網路的方式,解決目前只能在地影區工作的限制,最終能夠做到全天時的量子通信網路。