近日，中國科學(xué)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(tuán)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)，并在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)了空間尺度下嚴(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，在空間量子物理研究方面取得重大突破。
這一重要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)。相關(guān)成果于6月16日以封面論文的形式發(fā)表在國際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》上。中科院也于當(dāng)日在中國科大組織召開新聞發(fā)布會，全面深入解讀該重大成果。
量子糾纏被愛因斯坦稱之為“鬼魅般的超距作用”，它是兩個（或多個）粒子共同組成的量子狀態(tài)，無論粒子之間相隔多遠(yuǎn)，測量其中一個粒子必然會影響其它粒子，這被稱為量子力學(xué)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。量子糾纏分發(fā)是把制備好的兩個糾纏粒子（通常為光子）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)果是否破壞貝爾不等式，可以驗證量子力學(xué)非定域性的存在。同時，利用量子糾纏所建立起的量子信道也是構(gòu)建量子信息處理網(wǎng)絡(luò)的基本單元。
由于量子糾纏非常脆弱，會隨著光子在光纖內(nèi)或地表大氣中的傳輸距離而衰減，以往的量子糾纏分發(fā)實驗只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它因素的影響？這些基本物理問題的驗證都需要實現(xiàn)上千公里甚至更遠(yuǎn)距離的糾纏分發(fā)；另一方面，要實現(xiàn)廣域的量子網(wǎng)絡(luò)也自然要求遠(yuǎn)距離的糾纏分發(fā)。
理論上有兩種途徑可以擴(kuò)展量子糾纏分發(fā)的距離。一種是利用量子中繼，盡管量子中繼的研究在近些年已取得了系列重要突破，但目前仍然受到量子存儲壽命和讀出效率等因素的嚴(yán)重制約，無法實際應(yīng)用于遠(yuǎn)程量子糾纏分發(fā)。另一種是利用衛(wèi)星，因為星地間的自由空間信道損耗小，在遠(yuǎn)程量子通信中比光纖更具可行性，結(jié)合衛(wèi)星的幫助，可以在全球尺度上實現(xiàn)超遠(yuǎn)距離的量子糾纏分發(fā)。
潘建偉團(tuán)隊早在2003年就提出了利用衛(wèi)星實現(xiàn)遠(yuǎn)距離量子糾纏分發(fā)的方案，隨后于2005年在國際上首次實現(xiàn)了水平距離13公里（大于大氣層垂直厚度）的自由空間雙向量子糾纏分發(fā)。2010年，該團(tuán)隊又在國際上首次實現(xiàn)了基于量子糾纏分發(fā)的16公里量子態(tài)隱形傳輸。2011年底，中科院空間科學(xué)先導(dǎo)專項“量子科學(xué)實驗衛(wèi)星”正式立項。2012年，潘建偉領(lǐng)導(dǎo)的中科院聯(lián)合研究團(tuán)隊在青海湖實現(xiàn)了首個百公里的雙向量子糾纏分發(fā)和量子隱形傳態(tài)，充分驗證了利用衛(wèi)星實現(xiàn)量子通信的可行性。隨后，該團(tuán)隊經(jīng)過艱苦攻關(guān)，克服種種困難，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，經(jīng)過四個月的在軌測試，2017年1月18日正式交付開展科學(xué)實驗。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。
“墨子號”量子科學(xué)實驗衛(wèi)星過境時，同時與青海德令哈站和云南麗江站兩個地面站建立光鏈路，量子糾纏光子對從衛(wèi)星到兩個地面站的總距離平均達(dá)2000公里，跟瞄精度達(dá)到0.4 μrad。衛(wèi)星上的糾纏源載荷每秒產(chǎn)生800萬個糾纏光子對，建立光鏈路可以以每秒1對的速度在地面超過1200公里的兩個站之間建立量子糾纏，該量子糾纏的傳輸衰減僅僅是同樣長度最低損耗地面光纖的一萬億分之一。在關(guān)閉局域性漏洞和測量選擇漏洞的條件下，研究團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)，獲得的實驗結(jié)果以4倍標(biāo)準(zhǔn)偏差違背了貝爾不等式，即在千公里的空間尺度上實現(xiàn)了嚴(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。
《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“毫無疑問將在學(xué)術(shù)界和廣大的社會公眾中產(chǎn)生非常巨大影響”。
除量子糾纏分發(fā)實驗外，“墨子號”量子科學(xué)實驗衛(wèi)星的其它重要科學(xué)實驗任務(wù)，包括高速星地量子密鑰分發(fā)、地星量子隱形傳態(tài)等目前也在緊張有序地進(jìn)行中，預(yù)計今年會有更多的科學(xué)成果陸續(xù)發(fā)布。