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中国人回答爱因斯坦“百年之问”
  新华网 ( 2017-08-08 07:52:30 ) 来源: 《环球》杂志
 

    在“第二次量子革命”的起步阶段,中国异军突起进入“领跑阵营”。

文/《环球》杂志记者 刘娟娟 徐海涛

  近百年前,物理学界开始了一场旷日持久的论战,论战双方是阿尔伯特·爱因斯坦和尼尔斯·玻尔。这两位伟大的物理学家终其一生都在争论一个问题——量子纠缠到底存不存在?

  玻尔认为,处于纠缠状态的两个量子就像有“心灵感应”,不论相距多远都存在一种关联,其中一个量子状态发生改变,另一个的状态会瞬时发生相应改变。而爱因斯坦则对量子纠缠提出反对与质疑,他认为量子理论或许“还不完备”,量子纠缠是一种“鬼魅般的超距作用”。

  近百年来,一代一代的科学家对这种“鬼魅般的超距作用”进行研究。尽管所有实验几乎都向玻尔倾斜,但由于通过光纤或大气传输,量子纠缠“太脆弱”,实验一直存在漏洞,并且最多只停留在百公里级别。直到爱因斯坦提出质疑的近百年之后,中国科学家用“史诗”般的实验作出了回答:量子纠缠是存在的,并且是千公里级别的。

“里程碑式的研究”

  2016年8月16日,墨子号,这一中国自主研制的世界首颗空间量子科学实验卫星发射升空,带着爱因斯坦的“百年之问”,也带着中国科学家的梦想。

  2017年6月16日,中国科学技术大学教授潘建伟及其同事彭承志等组成的研究团队宣布,利用墨子号量子卫星在国际上率先成功实现了千公里级的星地双向量子纠缠分发。

  纠缠分发,就是把制备好的两个纠缠量子分别发送到相距很远的两个点,通过观察两个点的测量结果是否符合贝尔不等式来检验量子纠缠的存在。这是验证远距离量子力学正确性和实现广域量子网络必不可少的手段。

  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,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,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。

  通俗一点说,就是处于纠缠状态的两个量子,在相距超过1200公里的两地,仍然存在“心灵感应”,一个量子状态变化,另一个也发生改变。形象点比喻,这就如同两张相距甚远的纸张,在其中一张纸上书写的时候,另一张纸上会立刻显现出所书写的信息。

  中国科学家用严格的科学实证,回答了爱因斯坦的“百年之问”。

  国际权威学术期刊美国《科学》杂志以封面论文的形式发布了中国墨子号量子卫星的重大成就,并在一份简介中将这项中国科学家独立完成的工作称为“一项里程碑式的研究”。《科学》杂志审稿人称该成果是“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社会公众中产生非常巨大的影响”。

量子的力量

  最前沿的科学在初期看上去都像魔法。电磁波、极光、晶体管、核磁共振等许多一开始看似枯燥无味或高深难懂的基础研究和实验,却催生了后来不少改变社会的重大发明。这次量子纠缠分发实验,也正是这样一项兼具潜在实际应用和基础科研重要性的重大技术成就。

  潘建伟说,墨子号的量子纠缠分发实验成果,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。除了科学基础研究的重要作用之外,实验结果也有实际应用价值。

  本次量子纠缠分发实验成果,是量子通信向信息安全“终极武器”方向迈出的历史性步伐。在量子保密通信中,由于量子的不可分割、不可克隆和测不准的特性,一旦存在窃听就必然会被发送者察觉并规避。“可以通过远距离量子纠缠来分发量子密钥,进而构建量子网络。”潘建伟说,“把一个光子(光子也是一种量子)送到北京,另一个光子送到合肥,二者距离1000多公里,这样就可以在北京、合肥之间建立很好的量子通道,进行量子保密通信。”

  潘建伟说,如果说地面量子通信构建了一张连接每个城市、每个信息传输点的“网”,那么量子科学实验卫星就像一杆将这张网射向太空的“标枪”,当这张纵横寰宇的量子通信“天地网”织就,海量信息就将在其中来去如影,并且“无条件”安全。

  就在最近,潘建伟团队又在国际上首次成功实现了白天远距离(53km)自由空间量子密钥分发,通过地基实验在信道损耗和噪声水平方面有效验证了未来构建基于量子星座的星地、星间量子通信网络的可行性。国际权威学术期刊《自然·光子学》发表了该成果。审稿人评价该成果“应对了白天自由空间量子密钥分发的一个重要挑战”,称赞这是一项“卓越的成就”。

中国领跑“第二次量子革命”

  自上世纪初量子力学理论提出以来,不断获得实验支持,催生了激光、晶体管、全球卫星定位系统等一系列改变世界面貌的重大发明,被称为“第一次量子革命”。新世纪以来,世界主要国家纷纷制定计划、投入巨资,把量子科学作为未来的战略制高点,“第二次量子革命”大幕拉开。

  加拿大滑铁卢大学的量子技术专家延内魏因说:“国际上确实存在量子科研竞赛。这个中国团队(潘建伟团队)已克服了好几个重大技术与科学挑战,清楚地表明了他们在量子通信领域处于世界领先地位。”

  类似的量子纠缠分发实验,欧盟、加拿大、日本都有科学家在呼吁和推进,或因技术积累不够,或因资金支持不够,目前进展缓慢。

  潘建伟说:“中科院上海技术物理研究所、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……墨子号卫星的每一个部件都凝聚了各个科研机构的心血。不同机构纷纷给我们提供所需的基础元件,让我们的创新想法有了很好的工程基础。我在欧洲、美国、加拿大的同行,都曾有过这样的科学设想,但没有这样的团队全力支持。”

  《“十三五”国家科技创新规划》将量子信息作为“引领产业变革的颠覆性技术”重点开发。近日公布的科技部联合教育部、中科院、国家自然科学基金委员会共同制定的《“十三五”国家基础研究专项规划》中,将量子通信与量子计算机列为重大科技专项。国家战略的支持,让中国的量子科研工作者更加坚定信心。

  2016年,英国政府发布的《量子时代的技术机遇》报告显示,中国量子科技的论文发表排在全球第一、专利应用排名第二。在“第二次量子革命”的起步阶段,中国异军突起进入“领跑阵营”。

  太空中,墨子号仍在不知疲倦地绕地旋转。除了量子纠缠分发、高速星地量子密钥分发之外,地星量子隐形传态等科学实验也在紧张顺利地进行中。

  潘建伟说,预计今年会有更多的科学成果陆续公布。

来源:2017年8月9日出版的《环球》杂志 第16期

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