墨子号打破“超距作用”纪录

作者:文/LeeBillings编译/《中国民商》记者李雨蒙

墨子号打破“超距作用”纪录

这是一次具有里程碑意义的研究,中国科学家利用“墨子号”实验卫星,首次实现了千公里级的量子纠缠。卫星向3个地面基站发送成对的纠缠光子,而每一个基站之间都相距超过1200公里。这次的实验改变了量子理论长久以来的神秘,坚实地奠定了中国在迅速发展的“量子空间竞赛”中的领先地位。创造了安全、以量子为基础的全球通讯网络。而潜在免受黑客侵扰的“量子网络”将形成巨大的地缘政治意义。日内瓦大学的物理学家NicolasGisin表示,中国已经取得了量子通讯上的领先地位,并且此次卫星通讯试验的成功证明了全球量子通讯的可行性,在不久的将来会得以实现。

量子通讯的概念被认为是通讯安全的最佳选择,其中有一部分是因为任何泄密监听都会在传输过程中留下痕迹。传统加密信息需要密钥才能进行解密,而这些密钥当被传入以太空间后,是极容易被窃取的。然而,在量子传输中,这些密钥可以被编码为不同量子状态的纠缠光子,并且当一个信息被窃听者窃取后,这些状态会无法避免地被改变。

量子中继器

在墨子号出现以前,科学家们通过量子中继器实现光子信号的传输。量子中继器是通过纠缠制备、纠缠分发、纠缠纯化和纠缠交换来实现中继功能的转换器。可是,量子中继器一定要从两个不同的位置接收光子,并将它们储存在量子存储器中,之后在发送进一步的信号之前,两个光子直接互相干预。美国伊利诺伊大学香槟分校的物理学家PaulKwiat这样说到:“可实际上,你必须在没有测量到它们的时候就存储光子。这就有点像,你知道邮件里收到了什么,而没有看到里面或打开包裹。你可以选择摇晃包裹,但如果收到的只是光子,就无法做到了。你想确认你收到了它们,但又不想吸收光子。原则上来说,这是可行,然而实际操作却很难。”如果纠缠态的光子来源于50公里之外的地方,那么通过光纤传送给接收者的超过90%的光子都无法被接收者探测到。这其中还存在着,对于信道长度抖动过于敏感、误码率随距离增加而增长过快等严重问题,所以量子中继器难以被应用于实际的远距离量子通信。

2008年在维也纳建立的实验室成功地使用电讯光缆穿越整个城市发送所谓的“纠缠光子”。但是即使最清晰透明的光纤,如果很长的话,相对光来说它们都是混浊的。去年中国建造了连接北京和上海的长达2000公里的光纤,其间每100公里就需要一个中继站,但这些中继站也成了未来量子黑客攻击的薄弱环节,这也就是通过卫星进行量子通讯的原因。

维也纳大学物理学家,量子研究大师蔡林格(Anton Zeilinger)表示:“在地面,通过空气,通过玻璃纤维,传送超不过200公里。因此如果想远距离传送信号,就只能选择在外层空间的卫星。”在太空真空中,因为没有原子,至少原子数量微乎其微,因此量子信号受到的干扰很少。这就是为什么中国的“墨子”卫星测试具有重要意义的原因。

“墨子”号卫星

想要建立安全的全球范围量子通信网络,唯一可行的方案就是从太空中发送量子密钥,然后将其分发到百十公里远的地面站点。以中国古代哲学家名字命名的“墨子号”卫星,重达600千克,2016年被发射到近地轨道,而这只是投资达10亿美元的太空量子实验项目(QUESS)的先遣部队。

墨子号携带了一系列装配好的激光器和晶体,它们可以产生成对的纠缠态光子,并将其分离,分别传输到卫星视线范围内的不同地面基站。在最近的测试中,这3个基站分别坐落在德令哈市、乌鲁木齐市和中国遥远南部城市丽江,其中德令哈市和丽江市的地理距离达到1203千米,打破了纠缠光子百米的传输距离纪录。

中国科技大学的物理学家潘建伟是这个项目的领导者,他自2003年以来一直在推进和筹措这个实验项目。他将这个成就比做探测月球上一根火柴发出的单个光子。潘建伟认为,墨子号传输纠缠态光子的效率比最好的通信光纤还高出万亿倍,他说:“我们做的工作是缺少墨子号就不可能做到的,而且未来5年,太空量子实验项目会发射更多的量子通信实验卫星。”

多年来,量子研究领域的其他科学家和机构都在争相追赶研究。虽然,潘建伟和他的团队研究的墨子卫星最终实现了量子密钥分配,但是他们的研究初衷是为了完成一个简单的课题:证明爱因斯坦的理论是错误的。

量子论里有一种特性,即量子纠缠,简单来说,两个处于纠缠状态的量子,就像有“心灵感应”,无论这些粒子之间相隔多远,只要一个粒子发生变化,另外的粒子也会即刻“感知”,随之发生变化。不过,爱因斯坦并不买账,并讥讽这个现象为“幽灵般的超距作用”。也因此,他和波尔等科学巨擘为此展开激烈争论,并留下一个“世纪年之问”:上帝掷骰子吗?换言之,微观世界都是由“概率”决定存在的吗?

实际上,全球相关领域的科学家都为这个问题着迷。因为,一旦这种特性得到最终验证,就有一个最为直接的应用,即通过量子纠缠所建立起来的量子信道不可破译,成为未来保密通信的“终极武器”。而墨子号的出现,证明了爱因斯坦这次说错了。

潘建伟粗略地测算过,使用光纤进行量子分发,传输“百公里”距离,损耗已达99%;传输“千公里”的距离,每送1个光子大约需要3万年,“这就完全丧失了通信的意义”。

2003年,潘建伟团队开始实验“长距离”量子纠缠,从13公里到100公里,从追赶走向超越。201289日,国际学术期刊《自然》杂志以封面标题形式发表了潘建伟团队的研究成果,他们在国际上首次成功实现了“百公里”量级的自由空间量子隐形传态和纠缠分发。又过了4年,潘建伟团队通过发射“墨子号”卫星,将“量子纠缠”的实验距离拉到“1200公里”,把量子科学家们一直假想的实验变成了现实。

目前这套系统仍然需要进一步的完善,因为目前报道的墨子号和基站间的信号传输速度不足以维持实用的量子通信。墨子号每秒发射约600万对纠缠态光子,但是大约每秒只有一对可以既通过大气层又被地面基站上的聚光望远镜接收到。

潘建伟说:“大家不断地去‘拉长’这个距离,以此来验证量子纠缠的原理,步步逼近量子通信的实用目标。”事实上,在量子物理学诞生的100多年里,有关研究始终长盛不衰。

编译自《科学美国人》《自然》杂志

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