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在浩瀚的星空中，“墨子号”量子科学实验卫星向地球发出的两道光束，宛如两条长腿迈出史诗级的步伐。这惊心动魄的“一迈”，震动了整个世界。 6月16日，中国科学技术大学潘建伟院士团队在合肥宣布，他们在世界上率先成功实现千公里级的星地双向量子纠缠分发，实际分发距离超过1200公里，创造世界纪录，为量子网络和量子通信实验研究奠定了坚实基础。
“一步千里”的世界跨越
从百公里到千公里，“墨子号”卫星将量子纠缠分发的世界纪录提高了一个数量级。 6月16日，国际权威学术期刊《科学》以封面论文形式发表了该成果，并称之为“里程碑式的研究”。
量子通信被认为是理论上绝对安全的通信方式，实现全球化的广域量子通信是人类的梦想，而实现这一梦想的前提是实现远距离的量子纠缠分发。潘建伟指出，使用光纤来进行远距离量子纠缠分发信号损耗过大，在传输到1000公里的时候，信号已经损失了99%，每秒钟只能传输10的-12次方个单光子，3万年才能传送1个光子。通过近地面自由空间通道实现量子纠缠分发，又会受地面障碍物、地表曲率等的影响。目前，量子中继由于受到量子存储寿命和读出效率等因素的严重制约而无法使用。所以，此前的世界量子纠缠分发实验只停留在百公里的距离。
“卫星是实现远距离量子纠缠分发的一种非常有效的途径。 ”潘建伟说，卫星在太空没有地表曲率的影响，外层真空对信号也没有损害，大气本身对某些特定波长的光子束吸收比较小。 “星地间的自由空间信道损耗小，在远程量子通信中比光纤更具可行性，结合卫星的帮助，可以在全球尺度上实现超远距离的量子纠缠分发。 ”
早在2003年，潘建伟团队就提出利用卫星实现远距离量子纠缠分发的方案，2005年在国际上首次实现水平距离13公里的自由空间双向量子纠缠分发。 2010年，又在国际上首次实现基于量子纠缠分发的16公里量子态隐形传输。 2012年，在青海湖实现首个百公里的双向量子纠缠分发和量子隐形传态。随后，该团队经过艰苦攻关，最终研制出“墨子号”卫星，并于2016年8月16日成功发射升空，经过4个月的在轨测试，今年1月18日正式交付中科大开展科学实验。星地量子纠缠分发作为卫星的三大科学实验任务之一，是国际上首次在空间尺度上开展的量子纠缠分发实验。
潘建伟介绍，“墨子号”经过中国上空时，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，量子纠缠光子对从卫星到两个地面站的总距离达2000公里。卫星上的纠缠源载荷每秒产生800万个纠缠光子对，建立光链路可以以每秒1对的速度在地面超过1200公里的两个站之间建立量子纠缠，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。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。
“里程碑式”意味着什么
“这是"墨子号"卫星上天以来发布的最大成果。 ”“墨子号”科学应用系统总设计师、中科大研究员彭承志表示。 “这一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可靠的技术基础。”潘建伟说，同时也首次实现空间尺度严格满足“爱因斯坦定域性条件”的量子力学非定域性检验。
在《“十三五”国家科技创新规划》中，我国将量子信息作为“引领产业变革的颠覆性技术”重点开发。近日，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并公布了《“十三五”国家基础研究专项规划》，将量子通信与量子计算机作为将组织实施的重大科技专项。 “墨子号”量子纠缠分发距离超过1200公里，对于量子通信而言，是一个新的历史起点。 《科学》杂志审稿人认为，这一成果是“兼具潜在实际应用和基础科研重要性的重大技术突破”，“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”。
这一成果实现后，有什么用？彭承志介绍，最直接的一个应用，基于所实现的千公里纠缠分发，可以在两地之间直接建立安全密钥，这是目前无需借助可信中继，在千公里的距离建立安全量子密钥的唯一方式；另一个直接的应用是利用纠缠分发来实现量子隐形传态方案，用于量子态的远程制备和操纵，在分布式量子网络中非常有用。
“这项工作是纠缠分发技术的一个真正突破，表明远距离量子通信确实在技术上可行，让人们看到了在不久的未来构建远程量子通信的希望。 ”麻省理工学院凯克极限量子信息理论中心主任塞思·劳埃德说。 “这是一个英雄史诗般的实验，是验证量子力学有效性的又一个决定性步骤。这个结果对现代量子物理学发展的影响无论怎样评价都不为过。 ”波士顿大学量子信息科学家亚历山大·谢尔吉延科表示。 “这个中国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。 ”滑铁卢大学量子技术专家托马斯·延内魏因坦言。
实用化有哪些“拦路虎”
潘建伟介绍，高速星地量子密钥分发、星地双向量子纠缠分发、星地量子隐形传态，是“墨子号”量子科学实验卫星的三大科学任务。除了量子纠缠分发实验外，“墨子号”量子科学实验卫星的其他重要科学实验任务，包括高速星地量子密钥分发、星地量子隐形传态等，也在紧张顺利地进行中，预计今年会有更多的科学成果陆续发布。
从百公里级到千公里级，“墨子号”卫星的成就，让量子通信向实用化迈进了一大步，并从技术上验证了构建全球量子通信网络的可行性。未来，利用卫星的中转，甚至可以实现地面上相距数千公里甚至覆盖全球的广域量子保密通信。 “然而，在迈向实用化的道路上，仍然还有很多困难和挑战。 ”潘建伟对此并不避讳。
"墨子号"卫星现在只能在晚上工作，白天没办法控制，因为太阳光太强了，会把信号给湮灭掉。 ”潘建伟透露，他们正在发展相关技术，希望将来能够让卫星白天、晚上都可以工作。目前，“墨子号”在飞越中国时，每天真正有效实验时间只有200秒至300秒。 “对于我们来说，这实验时间太短了。 ”潘建伟说，希望“十三五”期间能够达到24小时。
“下一步，我们要在提升卫星的覆盖范围上攻关，通过高轨卫星或者"量子星座"网络的方式，解决目前只能在地影区工作的限制，最终能够实现全天时的量子通信网络。 ”彭承志表示。
目前，创建量子信息国家实验室被列为我省科技创新“一号工程”。 "墨子号"的成功发射和各项成果的取得，充分体现了建设这一国家实验室的必要性，这里面不仅需要中科大团队，也需要兄弟单位经验。 ”潘建伟说，他们在前期合作过程中建立了一种很好的协同创新机制，为将来多学科交叉协同创新、大体量大规模科学探索，找到了一条非常好的路径。
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潘建伟团队大事记
2003年，在国际上首次成功实现自由量子态隐形传输。
2004年，在国际上首次成功制备5光子量子纠缠态。
2005年，在国际上首次实现13公里自由空间的量子通信。
2007年，在国际上首次成功制备6光子量子纠缠态。
2010年，世界首个规模化量子通信网络在合肥启动建设。
2012年，在国际上首次成功制备8光子量子纠缠态。
2012年，在合肥建成世界首个城域量子通信试验示范网。
2012年，在国际上首次成功实现百公里量级自由空间量子隐形传态和纠缠分发。
2013年，在国际上首次实验实现了测量器件无关的量子密钥分发。
2014年，在国际上首次将可以抵御黑客攻击的远程量子密钥分发系统的安全距离扩展至200公里。
2015年，在国际上首次成功实现多自由度量子体系的隐形传态。
2016年，“多光子纠缠及干涉度量”项目夺得国家自然科学奖一等奖。
2016年，主导研制的世界首颗量子科学实验卫星“墨子号”发射升空。
2016年，在国际上首次实现超过400公里抵御量子黑客攻击的测量设备无关量子密钥分发。
2016年，在国际上首次成功实现10光子纠缠，打破此前由该研究小组保持多年的8光子纪录。
2016年，牵头负责的世界首条千公里量级量子保密通信骨干网“京沪干线”全线贯通。
2017年，成功研制出世界首台超越早期经典计算机的光量子计算机。
2017年，在世界上率先成功实现千公里级的星地双向量子纠缠分发。 (本报记者桂运安)
6月15日，在乌鲁木齐南山观测站，“墨子号”量子科学实验卫星过境，科研人员在做实验(合成照片)。 6月16日，中国科学技术大学潘建伟教授及其同事彭承志等组成的研究团队宣布，在中国科学院空间科学战略性先导科技专项的支持下，利用“墨子号”量子科学实验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，并于此基础上实现了空间尺度下严格满足“爱因斯坦定域性条件”的量子力学非定域性检验，在空间量子物理研究方面取得重大突破。新华社发
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神奇的量子纠缠
在微观世界中，有两个(或多个)共同来源的微观粒子，即使隔着太阳系，只要其中一个粒子状态发生变化，其他粒子状态立即发生相应变化，这就是被爱因斯坦称作“鬼魅般的超距作用”的“量子纠缠”。美国科学家、诺贝尔物理学奖获得者弗兰克·维尔切克曾用《格林童话》中《两兄弟》故事打比方：“量子纠缠”就像一对有“心灵感应”的双胞胎，长得分不清彼此；他们也心灵相通，即便天各一方，弟弟有难，哥哥即刻得知。处于量子纠缠态的粒子，无论相隔多远，测量其中一个粒子必然会影响其它粒子，这被称为量子力学非定域性。量子纠缠是一种非常奇特、无处不在的物理现象，它颠覆了常理，却广泛应用于量子保密通信、量子计算模拟和量子精密测量等各个领域。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。
量子纠缠分发，就是把制备好的两个纠缠粒子(通常为光子)分别发送到相距很远的两个点。观察两个点的统计测量结果是否破坏贝尔不等式，可以用来验证量子力学非定域性的存在。但由于量子纠缠非常脆弱，会随着光子在光纤内或者地表大气中的传输距离而衰减，以往的世界量子纠缠分发实验只停留在百公里的距离。在理论物理学中，贝尔不等式是一个有关是否存在完备局域隐变量理论的不等式。在经典物理学中，此一不等式成立。在量子物理学中，此一不等式不成立。实验表明，贝尔不等式不成立，可以验证量子力学理论。
(本报记者桂运安)
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