“这是我这辈子目前为止，做过的最好科学成果。 ”在美丽的中国科学技术大学校园，中国科学院院士、“墨子号”量子科学实验卫星首席科学家潘建伟激动地说。
6月16日，国际权威学术期刊《科学》封面，显示了一幅让世界惊艳的画面：浩瀚的太空中，“墨子号”向地球发出两道红色光束，宛如两条长腿迈出史诗级步伐。这惊心动魄的“一迈”，震惊了整个世界。当天，潘建伟院士在合肥宣布，“墨子号”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。
量子纠缠“幽灵作用”无处不在
在《格林童话》中，有一对长得分不清彼此的双胞胎，他们心灵相通，即便天各一方，弟弟有难，哥哥即刻得知。“‘量子纠缠’就像这对有‘心灵感应’的双胞胎。”美国科学家、诺贝尔物理学奖获得者弗兰克·维尔切克说。
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“幽灵般的超距作用”的“量子纠缠”。处于纠缠态的粒子，无论相隔多远，测量其中一个粒子必然会影响其他粒子，这被称为量子力学非定域性。
量子力学建立初期，“纠缠”现象就引起所有物理学家的好奇，也一直深深困惑着他们。作为量子力学的创始人之一，爱因斯坦1935年在一篇论文中提出，量子力学允许相距遥远的物体之间存在某种奇特的关联，即纠缠。两个处于纠缠态的量子，发生“心灵感应”有多快？潘建伟团队在国际上首次用实验证明，量子“心灵感应”速度至少为光速的一万倍。
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，通过观察两个点的统计测量结果，来验证量子力学非定域性的存在。潘建伟介绍，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。
近年来，潘建伟团队先后在国际上首次成功制备5光子、6光子、8光子、10光子量子纠缠态。 2016年1月，他们完成的“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8月，他们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年底，他们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。今年5月，他们主导研制的世界首台超越早期经典计算机的光量子计算机诞生，比人类历史上首台电子管计算机和首台晶体管计算机运行速度快10～100倍。
一步千里 实验解答“百年之问”
“这是个人的一小步，却是人类的一大步。 ”首位登上月球的美国前宇航员阿姆斯特朗说。从百公里到千公里，“墨子号”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，将量子纠缠分发的世界纪录提高了一个数量级，正是人类科技发展的 “一大步”。 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”。
对于量子纠缠，爱因斯坦承认这一神奇现象的存在，但“百思不得其解”。由于当时缺乏检验能力，他认为是量子理论“还不完备”，因此近百年来一直吸引着后人去验证。
量子纠缠非常脆弱，用传统的方法进行分发，会随着光子在光纤内或地表大气中的传输距离而衰减。 “使用光纤进行量子纠缠分发，传输百公里距离，损耗已达99%；传输上千公里的距离，每送1个光子大约需要3万年。 ”潘建伟说，传统的量子中继技术，由于受到量子存储寿命和读出效率等因素的严重制约，一直无法实际应用于远程量子纠缠分发。
“光子在真空中可以无障碍传输，进入大气层后只有10公里左右的距离，整个信道损耗小。 ”潘建伟指出，借助卫星，则有望在全球尺度上实现超远距离的量子纠缠分发。
在这被誉为史诗级的实验中，潘建伟团队利用“墨子号”卫星，在距离地球500公里的太空中，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，每对处于纠缠状态光子中的一个发向青海德令哈站，另一个发向云南丽江站，两个地面站之间的距离达1203公里，纠缠特性在千公里尺度上仍然存在。这一实验在创造量子纠缠分发距离世界纪录的同时，首次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。 “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。
《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。 ”美国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。
抢占先机 “量子革命”扬帆起航
“‘墨子号’千公里级星地双向量子纠缠分发的实现，是中科大与兄弟单位跨界合作所结出的硕果，跨界合作也为创建量子信息国家实验室积累了宝贵的经验。 ”潘建伟表示，他们与兄弟单位在前期合作过程中建立了一种非常好的协同创新机制，为将来多学科交叉协同创新、大体量大规模科学探索，找到了一条行之有效的科学路径。
一步千里的史诗级成果，就是由潘建伟团队与中科院上海技术物理研究所王建宇研究组、微小卫星创新研究院、光电技术研究所、国家天文台、紫金山天文台、国家空间科学中心等合作完成。 “利用卫星进行远距离量子纠缠分发，对卫星精准度和仪器灵敏度要求极高。 ”王建宇介绍，就精准度而言，就像从万米高空的飞机上扔下一串硬币，在地上用一个旋转的储钱罐接住，而且硬币必须从储钱罐细长的口中进去。 “如果嫦娥在月球上划一根火柴，地面上的设备马上就能发现，而且能捕捉到这一微弱的光。 ”王建宇坦言，正是跨界合作解决了这些“世界难题”。
量子力学理论自上世纪初提出以来，在实验上不断得到支持和验证，催生了激光、晶体管、全球卫星定位系统等一系列改变世界面貌的重大发明，被称为“第一次量子革命”。新世纪以来，世界主要国家纷纷制定计划、投入巨资，把量子科学作为未来的战略制高点，“第二次量子革命”大幕拉开。在新一轮量子革命中，潘建伟团队抢占先机，已经站在了世界最前沿。
“目前，在量子通信领域，我们扮演着领跑的角色。”潘建伟说，“墨子号”上天后，国际同行纷纷表达了合作需求，北京与维也纳之间的第一次洲际量子密钥分发有望在下月中旬开展。他介绍，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”三大科学任务。除了量子纠缠分发实验外，预计今年会有更多科学成果发布。
“墨子号”的作用，不仅仅是这三大科学实验，它还可以检验量子引力模型、验证时空连续性，并有望与引力波探测相结合……“‘墨子号’是一种全新的科学研究工具，用它可以推开一扇扇我们甚至还没想象出的科学之门。 ”潘建伟透露，未来5年，他们计划通过发射中高轨卫星，使现在一天仅几分钟的实验时间进一步延长，实现全天候工作，最终走向实用化。
第一颗人造卫星、第一艘载人宇宙飞船由前苏联发射，但最早登月的是美国；原子弹是德国最先研制，但最早造出来是美国……“现在领跑，不等于永远领跑。 ”潘建伟呼吁，为使我国团队继续领跑世界，希望国家尝试发射更多量子卫星，这些卫星能发出更强、杂质更少的光束；希望能与国家探月工程结合，最终实现在月球上向地球发射纠缠光子对。（本报记者 桂运安）
