“量子纠缠”达到新高度

之 涵/编译

“量子纠缠”达到新高度

之 涵/编译

图1 这颗名为“墨子号”的量子科学卫星成功地将成对偏振纠缠光子从近地轨道分发至位于青海德令哈和云南丽江的两个相距1 200公里的地面站。这种基于卫星的纠缠分发可成为高度安全的量子通信网络的基础

● 卫星可将纠缠光子对分发至相距1 200公里的两个城市，这为全球量子通信网络开辟了广阔前景。

2016年8月，当潘建伟看到长征火箭从中国酒泉卫星发射中心发射时，他几乎喜极而泣。该火箭搭载的量子科学卫星，是中国科技大学（USTC）潘建伟教授与其同事花了5年时间研制并不断完善的成果。为了获得6.5亿元的项目资金，他花了很多精力游说。当最终看到它离开地面，他说：“简直是一种解脱。”

这颗卫星以中国古代哲学家墨子的名字命名，被称为“墨子号”，将成为一个实验量子通信网络中枢。首先，卫星从近地太阳同步轨道将成对的偏振纠缠光子依次发射到中国的两个地面站（见图1）。通过这样的传输，两个地面站之间可以秘密交换信息：量子力学认为，一对纠缠光子无论相距多远，测量一个光子可瞬时决定另一个光子的状态。由于第三方不破坏光子的纠缠就无法干预光子，所以就没有办法实现窃听而不被发现。

在量子力学领域，没有任何东西能够限制两个光子实现纠缠的距离。但是，它们彼此之间距离越远，其脆弱的量子态就越有可能被周围的环境所干扰。从20世纪90年代开始，潘建伟就有了构建量子网络的设想，当时相距数米长度范围内的纠缠都有待证实。而要把不同城市或国家连接起来，就必须在数百万倍的距离上实现纠缠。

如今，在“墨子号”成功发射一年之后，潘建伟及其团队报告称，他们实现了量子通信网络的里程碑：“墨子号”成功将纠缠光子对分发至相距1 200公里的德令哈和丽江。此前，量子力学领域从未实现“鬼魅般的”超距作用。

“一个疯狂的想法”

“墨子号”的构想始于20年前，当时潘建伟还是奥地利因斯布鲁克大学的一名研究生。在那里，他和他的导师安东·塞林格（Anton Zeilinger）及其同事们展示了一个量子传输方案：通过测量纠缠光子对中的一个光子和任意量子态的第三个光子，可立即将该量子态投射到另一个纠缠光子上。

潘建伟和塞林格都对量子通信的潜在意义颇感兴趣，于是开始思考如何实现长距离纠缠。2001年，潘建伟回到中国科技大学工作，并将240万元启动资金中的一半用于构建卫星量子通信网络。“大家认为这是一个疯狂的想法，”他回忆道，“因为在遮光性能良好的光学工作台上开展复杂的量子光学实验已经极具挑战，你又怎么可能在太空中开展实验呢？”

潘建伟主要面临两大挑战。其一就是在远距离传输光子时会碰到的固有困难。尽管光纤可在校园内的两幢相隔一段距离的建筑物之间分发纠缠光子，但光子在数公里的传输过程中会逐渐衰减。而潘建伟却让发射的光线直接穿透空气，很难避免一些光子仍然会因为散射和吸收而损耗。但如果光束和探测器排列得当，这些损耗要比光纤小得多。

在2005年的一次地面测试中，潘建伟及其团队成功地将纠缠光子从合肥大蜀山山顶分发至合肥市内相距超过10公里的两个站点。之后，他们又分别在相距16公里的长城上和跨度达100公里的青海湖再现了这一壮举。到2012年，该团队定期在距离超过地球大气10公里等效厚度的太空分发纠缠光子。塞林格也曾在奥地利进行过类似的研究。几乎无可辩驳的是，纠缠光子可以在太空中传输。

不过，光子的产生得另当别论。一个常用的策略是使用非线性晶体将一个泵浦光子转换成两个频率减半的光子——这个过程被称为自发参量下转换。如果这些光子的相位和空间模式重叠，它们就会变成纠缠光子。

纠缠光子对产生的比率往往很低，但在地面测试中，潘建伟及其团队通过泵送大量晶体获得了大量纠缠光子对。在青海湖，他们使用了一台1.3 W泵浦激光器，每秒可产生4万对纠缠光子。但要利用卫星上有限的能源制造出亮度适宜的光子束，他们还需要一个更有效的方案。

潘建伟团队最终采用了美国麻省理工学院黄毅铨（Franco Wong）团队制定的策略——将非线性晶体放置在干涉仪中，以改善光子空间模式与相位的重叠。通过使用30 mW激光器进行抽运，该光源每秒能够产生近600万对纠缠光子。此外，其关键部件——被称为“萨尼亚克环”的干涉仪——对振动、热和电磁干扰都不敏感。换句话说，它完全能够满足太空传输的严苛要求。

纠缠态网络

每天凌晨1点30分左右，“墨子号”会先后快速从德令哈和丽江上空掠过。在大约四分半钟的时间内，这两个城市均可看见该卫星。在这个短暂的几分钟内，它将成对偏振纠缠红外光子分发至这两个站点的地面接收器——与单光子探测器耦合的1米望远镜。与纠缠光子一起发射的脉冲激光光束频率为100千赫，它可以提供一个时间戳：被称为抖动的轻微相位波动，它可以使地面观察人员判定两个光子是否同时发射。两个地面站发射的红色激光信标和卫星发射的绿色激光信标可以帮助卫星和接收器定位彼此的位置。反馈控制系统极为精准，卫星的目标因此只受限于光子束的衍射。在到达地面时，光子束的衍射范围可扩大到直径达5～15米的区域。

由于衍射、大气散射、吸收和偶尔的指向误差，能够到达两个地面站的光子对大约为六百万分之一（或每秒钟一对）。然而，潘建伟及其同事只花了4分钟的有效观测时间，就发现了光子对的关联性：一个地面站的垂直偏振光子几乎总是与另一个地面站的水平偏振光子同步。

然而，为了证明这些光子不仅互相关联，而且具有量子纠缠态，潘建伟及其团队不得不开展所谓的贝尔不等式实验。在他们开展的实验中，使用朝向θD和θ′D两个角度之一的偏振仪测量分发至德令哈的光子，而另一个分发至丽江的光子则用朝向θL和θ′L两个角度之一的偏振仪进行测量。测量角度在光子到达前的几微秒内随机选择，因此，在纠缠过程中产生的任何信息都不会影响选择，而在一个探测仪上做出的任何选择都无法影响另一个探测仪的测量结果。

根据该协议，贝尔定理可量化量子纠缠产生的关联性和由经典现象产生的关联性之间的差异。经过多个晚上的观察，潘建伟及其团队明确下了定论∶它们的关联性不可能是由经典现象产生的。

这一发现完成了“墨子号”三个实验任务中的第一个。接下来，潘建伟及其团队希望利用这颗卫星来分发加密密钥，并最终完成量子传输。他们还计划开发新的网络∶在一项由塞林格参与的研究中，“墨子号”可能不久就会将光子分发至一个位于维也纳的地面站。

在通往实用性量子通信网络的道路上仍然会遇到绊脚石。目前的传输速率为1比特/秒，这对于大多数应用来说都是不可行的。潘建伟及其团队如果希望在白天探测到纠缠光子，就必须大幅改进噪声过滤方案。

尽管如此，“墨子号”仍然为人类提供了探索基础物理学的直接手段。潘建伟尤其热衷于探索量子力学和引力之间的相互作用。他介绍说：“我们已经建立了一个量子光学实验室，其实验空间高达100万平方公里。我们可以以地面上无法企及的距离和速度开展实验。”

[资料来源：Physics Today][责任编辑：游 溪]