“量子糾纏”達(dá)到新高度

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”的量子科學(xué)衛(wèi)星成功地將成對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)星可將糾纏光子對分發(fā)至相距1 200公里的兩個城市，這為全球量子通信網(wǎng)絡(luò)開辟了廣闊前景。

2016年8月，當(dāng)潘建偉看到長征火箭從中國酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心發(fā)射時，他幾乎喜極而泣。該火箭搭載的量子科學(xué)衛(wèi)星，是中國科技大學(xué)（USTC）潘建偉教授與其同事花了5年時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。當(dāng)最終看到它離開地面，他說：“簡直是一種解脫。”

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

在量子力學(xué)領(lǐng)域，沒有任何東西能夠限制兩個光子實(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)就越有可能被周圍的環(huán)境所干擾。從20世紀(jì)90年代開始，潘建偉就有了構(gòu)建量子網(wǎng)絡(luò)的設(shè)想，當(dāng)時相距數(shù)米長度范圍內(nèi)的糾纏都有待證實(shí)。而要把不同城市或國家連接起來，就必須在數(shù)百萬倍的距離上實(shí)現(xiàn)糾纏。

如今，在“墨子號”成功發(fā)射一年之后，潘建偉及其團(tuán)隊(duì)報告稱，他們實(shí)現(xiàn)了量子通信網(wǎng)絡(luò)的里程碑：“墨子號”成功將糾纏光子對分發(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。

“一個瘋狂的想法”

“墨子號”的構(gòu)想始于20年前，當(dāng)時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量子傳輸方案：通過測量糾纏光子對中的一個光子和任意量子態(tài)的第三個光子，可立即將該量子態(tài)投射到另一個糾纏光子上。

潘建偉和塞林格都對量子通信的潛在意義頗感興趣，于是開始思考如何實(shí)現(xiàn)長距離糾纏。2001年，潘建偉回到中國科技大學(xué)工作，并將240萬元啟動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)工作臺上開展復(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)距離傳輸光子時會碰到的固有困難。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)公里的傳輸過程中會逐漸衰減。而潘建偉卻讓發(fā)射的光線直接穿透空氣，很難避免一些光子仍然會因?yàn)樯⑸浜臀斩鴵p耗。但如果光束和探測器排列得當(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10公里的兩個站點(diǎn)。之后，他們又分別在相距16公里的長城上和跨度達(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)行過類似的研究。幾乎無可辯駁的是，糾纏光子可以在太空中傳輸。

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

糾纏光子對產(chǎn)生的比率往往很低，但在地面測試中，潘建偉及其團(tuán)隊(duì)通過泵送大量晶體獲得了大量糾纏光子對。在青海湖，他們使用了一臺1.3 W泵浦激光器，每秒可產(chǎn)生4萬對糾纏光子。但要利用衛(wèi)星上有限的能源制造出亮度適宜的光子束，他們還需要一個更有效的方案。

潘建偉團(tuán)隊(duì)最終采用了美國麻省理工學(xué)院黃毅銓（Franco Wong）團(tuán)隊(duì)制定的策略——將非線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600萬對糾纏光子。此外，其關(guān)鍵部件——被稱為“薩尼亞克環(huán)”的干涉儀——對振動、熱和電磁干擾都不敏感。換句話說，它完全能夠滿足太空傳輸?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”會先后快速從德令哈和麗江上空掠過。在大約四分半鐘的時間內(nèi)，這兩個城市均可看見該衛(wèi)星。在這個短暫的幾分鐘內(nèi)，它將成對偏振糾纏紅外光子分發(fā)至這兩個站點(diǎn)的地面接收器——與單光子探測器耦合的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，它可以提供一個時間戳：被稱為抖動的輕微相位波動，它可以使地面觀察人員判定兩個光子是否同時發(fā)射。兩個地面站發(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，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)兩個地面站的光子對大約為六百萬分之一（或每秒鐘一對）。然而，潘建偉及其同事只花了4分鐘的有效觀測時間，就發(fā)現(xiàn)了光子對的關(guān)聯(lián)性：一個地面站的垂直偏振光子幾乎總是與另一個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)不得不開展所謂的貝爾不等式實(shí)驗(yàn)。在他們開展的實(shí)驗(yàn)中，使用朝向θD和θ′D兩個角度之一的偏振儀測量分發(fā)至德令哈的光子，而另一個分發(fā)至麗江的光子則用朝向θL和θ′L兩個角度之一的偏振儀進(jìn)行測量。測量角度在光子到達(dá)前的幾微秒內(nèi)隨機(jī)選擇，因此，在糾纏過程中產(chǎn)生的任何信息都不會影響選擇，而在一個探測儀上做出的任何選擇都無法影響另一個探測儀的測量結(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)過多個晚上的觀察，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”三個實(shí)驗(yàn)任務(wù)中的第一個。接下來，潘建偉及其團(tuán)隊(duì)希望利用這顆衛(wèi)星來分發(fā)加密密鑰，并最終完成量子傳輸。他們還計劃開發(fā)新的網(wǎng)絡(luò)∶在一項(xiàng)由塞林格參與的研究中，“墨子號”可能不久就會將光子分發(fā)至一個位于維也納的地面站。

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

盡管如此，“墨子號”仍然為人類提供了探索基礎(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：“我們已經(jīng)建立了一個量子光學(xué)實(shí)驗(yàn)室，其實(shí)驗(yàn)空間高達(dá)100萬平方公里。我們可以以地面上無法企及的距離和速度開展實(shí)驗(yàn)?！?/p>

[資料來源：Physics Today][責(zé)任編輯：游 溪]