之 涵/編譯

“量子糾纏”達(dá)到新高度

之 涵/編譯

圖1 這顆名為“墨子號(hào)”的量子科學(xué)衛(wèi)星成功地將成對(duì)偏振糾纏光子從近地軌道分發(fā)至位于青海德令哈和云南麗江的兩個(gè)相距1 200公里的地面站。這種基于衛(wèi)星的糾纏分發(fā)可成為高度安全的量子通信網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)

● 衛(wèi)星可將糾纏光子對(duì)分發(fā)至相距1 200公里的兩個(gè)城市，這為全球量子通信網(wǎng)絡(luò)開(kāi)辟了廣闊前景。

2016年8月，當(dāng)潘建偉看到長(zhǎng)征火箭從中國(guó)酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心發(fā)射時(shí)，他幾乎喜極而泣。該火箭搭載的量子科學(xué)衛(wèi)星，是中國(guó)科技大學(xué)（USTC）潘建偉教授與其同事花了5年時(shí)間研制并不斷完善的成果。為了獲得6.5億元的項(xiàng)目資金，他花了很多精力游說(shuō)。當(dāng)最終看到它離開(kāi)地面，他說(shuō)：“簡(jiǎn)直是一種解脫?！?/p>

這顆衛(wèi)星以中國(guó)古代哲學(xué)家墨子的名字命名，被稱(chēng)為“墨子號(hào)”，將成為一個(gè)實(shí)驗(yàn)量子通信網(wǎng)絡(luò)中樞。首先，衛(wèi)星從近地太陽(yáng)同步軌道將成對(duì)的偏振糾纏光子依次發(fā)射到中國(guó)的兩個(gè)地面站（見(jiàn)圖1）。通過(guò)這樣的傳輸，兩個(gè)地面站之間可以秘密交換信息：量子力學(xué)認(rèn)為，一對(duì)糾纏光子無(wú)論相距多遠(yuǎn)，測(cè)量一個(gè)光子可瞬時(shí)決定另一個(gè)光子的狀態(tài)。由于第三方不破壞光子的糾纏就無(wú)法干預(yù)光子，所以就沒(méi)有辦法實(shí)現(xiàn)竊聽(tīng)而不被發(fā)現(xiàn)。

在量子力學(xué)領(lǐng)域，沒(méi)有任何東西能夠限制兩個(gè)光子實(shí)現(xiàn)糾纏的距離。但是，它們彼此之間距離越遠(yuǎn)，其脆弱的量子態(tài)就越有可能被周?chē)沫h(huán)境所干擾。從20世紀(jì)90年代開(kāi)始，潘建偉就有了構(gòu)建量子網(wǎng)絡(luò)的設(shè)想，當(dāng)時(shí)相距數(shù)米長(zhǎng)度范圍內(nèi)的糾纏都有待證實(shí)。而要把不同城市或國(guó)家連接起來(lái)，就必須在數(shù)百萬(wàn)倍的距離上實(shí)現(xiàn)糾纏。

如今，在“墨子號(hào)”成功發(fā)射一年之后，潘建偉及其團(tuán)隊(duì)報(bào)告稱(chēng)，他們實(shí)現(xiàn)了量子通信網(wǎng)絡(luò)的里程碑：“墨子號(hào)”成功將糾纏光子對(duì)分發(fā)至相距1 200公里的德令哈和麗江。此前，量子力學(xué)領(lǐng)域從未實(shí)現(xiàn)“鬼魅般的”超距作用。

“一個(gè)瘋狂的想法”

“墨子號(hào)”的構(gòu)想始于20年前，當(dāng)時(shí)潘建偉還是奧地利因斯布魯克大學(xué)的一名研究生。在那里，他和他的導(dǎo)師安東·塞林格（Anton Zeilinger）及其同事們展示了一個(gè)量子傳輸方案：通過(guò)測(cè)量糾纏光子對(duì)中的一個(gè)光子和任意量子態(tài)的第三個(gè)光子，可立即將該量子態(tài)投射到另一個(gè)糾纏光子上。

潘建偉和塞林格都對(duì)量子通信的潛在意義頗感興趣，于是開(kāi)始思考如何實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離糾纏。2001年，潘建偉回到中國(guó)科技大學(xué)工作，并將240萬(wàn)元啟動(dòng)資金中的一半用于構(gòu)建衛(wèi)星量子通信網(wǎng)絡(luò)?！按蠹艺J(rèn)為這是一個(gè)瘋狂的想法，”他回憶道，“因?yàn)樵谡诠庑阅芰己玫墓鈱W(xué)工作臺(tái)上開(kāi)展復(fù)雜的量子光學(xué)實(shí)驗(yàn)已經(jīng)極具挑戰(zhàn)，你又怎么可能在太空中開(kāi)展實(shí)驗(yàn)?zāi)?？?/p>

潘建偉主要面臨兩大挑戰(zhàn)。其一就是在遠(yuǎn)距離傳輸光子時(shí)會(huì)碰到的固有困難。盡管光纖可在校園內(nèi)的兩幢相隔一段距離的建筑物之間分發(fā)糾纏光子，但光子在數(shù)公里的傳輸過(guò)程中會(huì)逐漸衰減。而潘建偉卻讓發(fā)射的光線(xiàn)直接穿透空氣，很難避免一些光子仍然會(huì)因?yàn)樯⑸浜臀斩鴵p耗。但如果光束和探測(cè)器排列得當(dāng)，這些損耗要比光纖小得多。

在2005年的一次地面測(cè)試中，潘建偉及其團(tuán)隊(duì)成功地將糾纏光子從合肥大蜀山山頂分發(fā)至合肥市內(nèi)相距超過(guò)10公里的兩個(gè)站點(diǎn)。之后，他們又分別在相距16公里的長(zhǎng)城上和跨度達(dá)100公里的青海湖再現(xiàn)了這一壯舉。到2012年，該團(tuán)隊(duì)定期在距離超過(guò)地球大氣10公里等效厚度的太空分發(fā)糾纏光子。塞林格也曾在奧地利進(jìn)行過(guò)類(lèi)似的研究。幾乎無(wú)可辯駁的是，糾纏光子可以在太空中傳輸。

不過(guò)，光子的產(chǎn)生得另當(dāng)別論。一個(gè)常用的策略是使用非線(xiàn)性晶體將一個(gè)泵浦光子轉(zhuǎn)換成兩個(gè)頻率減半的光子——這個(gè)過(guò)程被稱(chēng)為自發(fā)參量下轉(zhuǎn)換。如果這些光子的相位和空間模式重疊，它們就會(huì)變成糾纏光子。

糾纏光子對(duì)產(chǎn)生的比率往往很低，但在地面測(cè)試中，潘建偉及其團(tuán)隊(duì)通過(guò)泵送大量晶體獲得了大量糾纏光子對(duì)。在青海湖，他們使用了一臺(tái)1.3 W泵浦激光器，每秒可產(chǎn)生4萬(wàn)對(duì)糾纏光子。但要利用衛(wèi)星上有限的能源制造出亮度適宜的光子束，他們還需要一個(gè)更有效的方案。

潘建偉團(tuán)隊(duì)最終采用了美國(guó)麻省理工學(xué)院黃毅銓?zhuān)‵ranco Wong）團(tuán)隊(duì)制定的策略——將非線(xiàn)性晶體放置在干涉儀中，以改善光子空間模式與相位的重疊。通過(guò)使用30 mW激光器進(jìn)行抽運(yùn)，該光源每秒能夠產(chǎn)生近600萬(wàn)對(duì)糾纏光子。此外，其關(guān)鍵部件——被稱(chēng)為“薩尼亞克環(huán)”的干涉儀——對(duì)振動(dòng)、熱和電磁干擾都不敏感。換句話(huà)說(shuō)，它完全能夠滿(mǎn)足太空傳輸?shù)膰?yán)苛要求。

糾纏態(tài)網(wǎng)絡(luò)

每天凌晨1點(diǎn)30分左右，“墨子號(hào)”會(huì)先后快速?gòu)牡铝罟望惤峡章舆^(guò)。在大約四分半鐘的時(shí)間內(nèi)，這兩個(gè)城市均可看見(jiàn)該衛(wèi)星。在這個(gè)短暫的幾分鐘內(nèi)，它將成對(duì)偏振糾纏紅外光子分發(fā)至這兩個(gè)站點(diǎn)的地面接收器——與單光子探測(cè)器耦合的1米望遠(yuǎn)鏡。與糾纏光子一起發(fā)射的脈沖激光光束頻率為100千赫，它可以提供一個(gè)時(shí)間戳：被稱(chēng)為抖動(dòng)的輕微相位波動(dòng)，它可以使地面觀察人員判定兩個(gè)光子是否同時(shí)發(fā)射。兩個(gè)地面站發(fā)射的紅色激光信標(biāo)和衛(wèi)星發(fā)射的綠色激光信標(biāo)可以幫助衛(wèi)星和接收器定位彼此的位置。反饋控制系統(tǒng)極為精準(zhǔn)，衛(wèi)星的目標(biāo)因此只受限于光子束的衍射。在到達(dá)地面時(shí)，光子束的衍射范圍可擴(kuò)大到直徑達(dá)5～15米的區(qū)域。

由于衍射、大氣散射、吸收和偶爾的指向誤差，能夠到達(dá)兩個(gè)地面站的光子對(duì)大約為六百萬(wàn)分之一（或每秒鐘一對(duì)）。然而，潘建偉及其同事只花了4分鐘的有效觀測(cè)時(shí)間，就發(fā)現(xiàn)了光子對(duì)的關(guān)聯(lián)性：一個(gè)地面站的垂直偏振光子幾乎總是與另一個(gè)地面站的水平偏振光子同步。

然而，為了證明這些光子不僅互相關(guān)聯(lián)，而且具有量子糾纏態(tài)，潘建偉及其團(tuán)隊(duì)不得不開(kāi)展所謂的貝爾不等式實(shí)驗(yàn)。在他們開(kāi)展的實(shí)驗(yàn)中，使用朝向θD和θ′D兩個(gè)角度之一的偏振儀測(cè)量分發(fā)至德令哈的光子，而另一個(gè)分發(fā)至麗江的光子則用朝向θL和θ′L兩個(gè)角度之一的偏振儀進(jìn)行測(cè)量。測(cè)量角度在光子到達(dá)前的幾微秒內(nèi)隨機(jī)選擇，因此，在糾纏過(guò)程中產(chǎn)生的任何信息都不會(huì)影響選擇，而在一個(gè)探測(cè)儀上做出的任何選擇都無(wú)法影響另一個(gè)探測(cè)儀的測(cè)量結(jié)果。

根據(jù)該協(xié)議，貝爾定理可量化量子糾纏產(chǎn)生的關(guān)聯(lián)性和由經(jīng)典現(xiàn)象產(chǎn)生的關(guān)聯(lián)性之間的差異。經(jīng)過(guò)多個(gè)晚上的觀察，潘建偉及其團(tuán)隊(duì)明確下了定論∶它們的關(guān)聯(lián)性不可能是由經(jīng)典現(xiàn)象產(chǎn)生的。

這一發(fā)現(xiàn)完成了“墨子號(hào)”三個(gè)實(shí)驗(yàn)任務(wù)中的第一個(gè)。接下來(lái)，潘建偉及其團(tuán)隊(duì)希望利用這顆衛(wèi)星來(lái)分發(fā)加密密鑰，并最終完成量子傳輸。他們還計(jì)劃開(kāi)發(fā)新的網(wǎng)絡(luò)∶在一項(xiàng)由塞林格參與的研究中，“墨子號(hào)”可能不久就會(huì)將光子分發(fā)至一個(gè)位于維也納的地面站。

在通往實(shí)用性量子通信網(wǎng)絡(luò)的道路上仍然會(huì)遇到絆腳石。目前的傳輸速率為1比特/秒，這對(duì)于大多數(shù)應(yīng)用來(lái)說(shuō)都是不可行的。潘建偉及其團(tuán)隊(duì)如果希望在白天探測(cè)到糾纏光子，就必須大幅改進(jìn)噪聲過(guò)濾方案。

盡管如此，“墨子號(hào)”仍然為人類(lèi)提供了探索基礎(chǔ)物理學(xué)的直接手段。潘建偉尤其熱衷于探索量子力學(xué)和引力之間的相互作用。他介紹說(shuō)：“我們已經(jīng)建立了一個(gè)量子光學(xué)實(shí)驗(yàn)室，其實(shí)驗(yàn)空間高達(dá)100萬(wàn)平方公里。我們可以以地面上無(wú)法企及的距離和速度開(kāi)展實(shí)驗(yàn)。”

[資料來(lái)源：Physics Today][責(zé)任編輯：游 溪]