6月16日，一雙紅色的“筷子”出現(xiàn)在美國《科學(xué)》雜志的封面上。正是這雙“筷子”，將量子糾纏分發(fā)的世界紀(jì)錄提高了一個數(shù)量級。
　　近日，由中科院院士、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授潘建偉及其同事彭承志等組成的研究團隊，聯(lián)合中科院上海技術(shù)物理研究所王建宇研究組、微小衛(wèi)星創(chuàng)新研究院、光電技術(shù)研究所、國家天文臺、紫金山天文臺、國家空間科學(xué)中心等，在中科院空間科學(xué)戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項的支持下，利用“墨子號”量子科學(xué)實驗衛(wèi)星在國際上率先成功實現(xiàn)了千公里級的星地雙向量子糾纏分發(fā)。
　　鬼魅般的“心靈感應(yīng)”
　　量子糾纏，是指兩個或多個粒子共同組成的一種量子狀態(tài)。理論上，無論這些粒子之間相隔多遠(yuǎn)，只要一個粒子發(fā)生變化，另外的粒子也會即刻“感知”并隨之發(fā)生變化。這被稱為量子力學(xué)的非定域性。
　　量子糾纏所體現(xiàn)的非定域性是量子力學(xué)最神奇的現(xiàn)象之一。愛因斯坦將這種現(xiàn)象比喻成“鬼魅般的超距作用”。
　　不僅是愛因斯坦，全球相關(guān)領(lǐng)域的科學(xué)家都為之著迷不已。因為如果能把制備好的兩個糾纏粒子分別發(fā)送到相距很遠(yuǎn)的兩個點，通過觀察兩個點的統(tǒng)計測量結(jié)果，就可以驗證量子力學(xué)非定域性的存在。更重要的是，通過量子糾纏所建立起來的量子信道不可破譯，將是未來保密通信的“終極武器”。
　　但是，量子糾纏也非常脆弱，用傳統(tǒng)的方法進行分發(fā)，會隨著光子在光纖內(nèi)或者地表大氣中的傳輸距離而衰減。潘建偉粗略地測算過，使用光纖進行量子分發(fā)，傳輸百公里距離，損耗已達(dá)99%；傳輸上千公里的距離，每送1個光子大約需要3萬年，“這就完全喪失了通信的意義”。
　　因此，目前量子糾纏分發(fā)實驗一直停留在百公里的距離。量子糾纏“鬼魅般的超距作用”在更遠(yuǎn)的距離上是否仍然存在？會不會受到引力等其他因素的影響？科學(xué)家的好奇心，讓潘建偉萌發(fā)了一個大膽的想法。
　　“讓潘建偉瘋狂一下吧”
　　理論上，有兩種途徑可以擴展量子糾纏分發(fā)的距離。一種是量子中繼，也就是用“接力跑”的方式進行信息傳輸。然而，潘建偉坦言，他的團隊研究這個方向已經(jīng)十幾年了，但受到量子存儲壽命和讀出效率等因素的嚴(yán)重制約，量子中繼一直無法實際應(yīng)用于遠(yuǎn)程量子糾纏分發(fā)。
　　“另一種辦法就是利用衛(wèi)星，光子在真空中可以無障礙傳輸，進入大氣層后，也只有10公里左右的距離，整個信道的損耗小，用這個辦法進行量子通信，比在空氣、光纖中都可行?！迸私▊フf，“結(jié)合衛(wèi)星的幫助，有望在全球尺度上實現(xiàn)超遠(yuǎn)距離的量子糾纏分發(fā)。”
　　2003年，潘建偉向中科院提出了利用衛(wèi)星實現(xiàn)遠(yuǎn)距離量子糾纏分發(fā)的方案。這個聞所未聞的想法在中科院內(nèi)并不是沒有質(zhì)疑的聲音，但當(dāng)時的中科院領(lǐng)導(dǎo)經(jīng)過思索，還是咬牙批了下來，給了潘建偉團隊100多萬元，決定給科學(xué)家一個機會，讓他們“瘋狂一下”。
　　2005年，13公里；2010年，16公里……潘建偉團隊將自由空間雙向量子糾纏分發(fā)的距離一點點拉長。直到2011年年底，他們迎來了一個關(guān)鍵的轉(zhuǎn)折點——中科院空間科學(xué)先導(dǎo)專項將“量子科學(xué)實驗衛(wèi)星”正式立項。
　　中科院上海技物所研究員、量子科學(xué)實驗衛(wèi)星工程常務(wù)副總師兼衛(wèi)星系統(tǒng)總指揮王建宇也在這時與潘建偉團隊結(jié)下了不解之緣。做工程出身的他，最初也被潘建偉的想法“嚇了一跳”。但科學(xué)和工程團隊精誠合作，克服了種種困難，最終研制成功了“墨子號”量子科學(xué)實驗衛(wèi)星。
　　衛(wèi)星于2016年8月16日在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心發(fā)射升空。星地量子糾纏分發(fā)作為衛(wèi)星的三大科學(xué)實驗任務(wù)之一，是國際上首次在空間尺度上開展的量子糾纏分發(fā)實驗。“我們在‘墨子號’研制過程中建立起來的協(xié)同創(chuàng)新機制，為將來我國開展大規(guī)模的科學(xué)探索提供了很好的經(jīng)驗?！迸私▊フf。
　　量子“紅娘”情牽千里
　　青海德令哈與云南麗江兩個地面站相隔1203公里?！澳犹枴绷孔涌茖W(xué)實驗衛(wèi)星過境時，同時與兩個地面站建立起光鏈路，并以每秒鐘一對的速度給兩個地面站分發(fā)糾纏光子并建立量子糾纏。
　　“這種方式進行量子糾纏的傳輸衰減僅為同樣長度最低損耗地面光纖的一萬億分之一?！蓖踅ㄓ钫f，“但它對衛(wèi)星的精度要求極高，就像從萬米高空的飛機上扔下一串硬幣，在地上用一個存錢罐接住?！?br/>　　但中國的量子衛(wèi)星團隊做到了?！澳犹枴痹趪H上率先實現(xiàn)千公里級的量子糾纏分發(fā)，并在此基礎(chǔ)上首次實現(xiàn)空間尺度嚴(yán)格滿足“愛因斯坦定域性條件”的量子力學(xué)非定域性檢驗。潘建偉認(rèn)為，這一成果為未來開展大尺度量子網(wǎng)絡(luò)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(xué)基本原理的實驗檢驗奠定了可靠的技術(shù)基礎(chǔ)。
　　成果發(fā)表后，《科學(xué)》雜志幾位審稿人稱贊，該成果是“兼具潛在實際現(xiàn)實應(yīng)用和基礎(chǔ)科學(xué)研究重要性的重大技術(shù)突破”，并斷言“絕對毫無疑問將在學(xué)術(shù)界和廣大的社會公眾中產(chǎn)生非常巨大的影響”。
　　14年的持續(xù)攻關(guān)，讓中國科大研究員、量子科學(xué)實驗衛(wèi)星科學(xué)應(yīng)用系統(tǒng)總師、衛(wèi)星系統(tǒng)副總師彭承志從一個青澀的博士生成長為團隊核心成員，也讓他生出了一頭白發(fā)。不過，他說，能在這個大的團隊里工作，“感覺自己挺牛的”，因為他們做的事不但在科學(xué)上是有意義的，在國際上也是領(lǐng)先的。未來，他還希望這些成果能走向?qū)嵱?，對國家也能有用?！盀榱诉@個目標(biāo)，再來14年，我也愿意?！?br/>　　彭承志的心愿不會落空。今天的成果只是“墨子號”的第一個“大招”。“墨子號”其他重要的科學(xué)實驗任務(wù)，如高速星地量子密鑰分發(fā)、地星量子隱形傳態(tài)等，也在緊張順利地進行中，預(yù)計今年會有更多科學(xué)成果陸續(xù)發(fā)布。潘建偉還透露，目前國際同行紛紛表達(dá)了合作需求，北京與維也納之間的第一次洲際量子秘鑰分發(fā)有望在下月中旬開展。
　　屆時，太空中的這位中國量子“紅娘”還將牽出多少美妙的姻緣，我們不妨拭目以待。
　?。ㄔd于《中國科學(xué)報》 2017-06-19 第1版 要聞)