中国量子纠缠破距离纪录后，下一步要白天操作、洲际密钥分发

世界第一颗量子科学卫星“墨子号”卫星再一次让世界物理学界振奋。当地时间6月15日，世界顶级学术期刊《科学》以封面论文的形式报道了中国科学技术大学潘建伟团队的最新成果：借助“量子号”，他们创下了世界量子纠缠分发距离的记录，达到1200千米，实现了一个数量级上的突破。

一千公里外的量子纠缠再次否定了“贝尔不等式”，在大尺度空间上验证了量子力学的正确性。下一步，潘建伟团队希望发射更强力的卫星，在白天实现远距离量子纠缠分发。此外，该团队还计划在中国和奥地利之间实现洲际量子密钥分发。

“这是通向全球量子保密通信、甚至是量子互联网的第一步。”奥地利维也纳大学物理学家Anton Zeilinger如此评价道。Zeilinger正致力于推动欧空局发射第一颗量子科学卫星。他说：“潘建伟团队的论文证实了中国政府做了正确的决定。我个人坚信未来的互联网是基于量子力学原理的。”

目前，美、加、欧、澳等地的多个团队，都在酝酿发射量子科学卫星，在空间内进行量子力学研究。

“上帝掷骰子”？

量子是物理学中不可再分的基本单元，由德国物理学家普朗克在1900年首次提出。比如，光子就是量子性的，不存在“半个光子”的说法。

科学家们在量子这个维度的世界上，发现了许多奇妙的现象，经典物理学在这个世界轰然崩塌。其中，量子纠缠就是一种奇妙的表现，爱因斯坦称之为“鬼魅般的远距作用”。处于纠缠态的两个量子不论相距多远都存在一种关联，其中一个量子状态发生改变（比如人们对其进行观测），另一个的状态会瞬时发生相应改变，仿佛“心灵感应”。而把两个处于纠缠态的量子分发到两处的操作，就叫量子纠缠分发。

量子力学的世界里另有一种奇妙的表现，叠加态。一个光子可以同时处于水平偏振和垂直偏振两个状态的叠加，就像薛定谔那只著名的“既生又死”的猫。而一旦对该光子的状态进行测量，它就会随机坍缩到其中一种状态。

爱因斯坦反感这种“上帝掷骰子”一般的解释，他认为，测量结果收到某种未知的“隐变量”的影响，被称为爱因斯坦定域实在论。为此，爱因斯坦和另一名物理学家玻尔争论了半个世纪。

1964年，爱尔兰物理学家贝尔想出了一个方法可以作为爱因斯坦和玻尔之间的裁判——“贝尔不等式”，该定理对于两个分隔的粒子同时被测量时其结果的可能关联程度建立了一个严格的限制。如果贝尔不等式不成立，就意味着量子力学不符合定域实在论，爱因斯坦是错的。

而验证量子纠缠的存在，就是否定贝尔不等式的一种方式。长期以来，科学家们都想要在更大的空间尺度上实现量子纠缠，验证量子力学 的正确性。

相距1200公里的量子纠缠

自上个世纪70年代以来，物理学家们开始尝试远距离量子纠缠分发。

早在2005年，潘建伟团队就在合肥大蜀山实现了13公里的量子纠缠分发。这个传输距离超过了大气层的等效厚度，证实了远距离自由空间量子通信的可行性。

2012年，该团队又在青海湖实现了首个超过102公里的量子纠缠分发实验。

2016年，“墨子号”升空。其三大科学实验任务之一，就是星地量子纠缠分发。卫星将量子纠缠光源制备成对的纠缠光子分发到青海德令哈和云南丽江地面站，由这两个相距1200公里的地面站对光子进行纠缠测量。

针对1000多对光子的测量结果以4倍标准偏差违背了贝尔不等式，也就是说，以超过99.9%的置信度在千公里距离上验证了量子力学的正确性。

通向全球量子保密通信

除了在理论上验证量子力学，对爱因斯坦和玻尔之争给出答案之外，“墨子号”还打开了量子保密通信的大门。这些相距千里依然“纠缠”着的光子，可以作为两地之间进行保密通信的量子密钥。

潘建伟指出，他的团队下一步是要在白天进行操作。在白天，来自太阳的干扰更多，可能会破坏量子纠缠态。因此，他希望未来能发射更多携带更强力光源的卫星，并发射到更高的轨道上。在未来5年内，潘建伟团队计划发射一批实用性质的量子科学卫星。

除了星地量子纠缠分发实验之外，“墨子号”还有进行星地量子隐形传态实验和量子密钥分发的任务。最终目标，是要通过卫星中转，实现可覆盖全球的量子保密通信。

而据《科学》杂志报道称，首先，潘建伟希望通过分处于中国和奥地利的地面站来展现洲际量子密钥分发的可行性。在这个实验中，“量子号”在给中国地面站发送其中一半光子后，需要再控制住另一半光子，直到奥地利地面站出现在卫星视野内。此外，潘建伟还计划从另一个地面站向卫星传输量子态。

不过，新加坡国立大学的Alexander Ling注意到，潘建伟团队这次在地面站上接收到的光子只有600万分之一。虽然，考虑到卫星每秒8公里的运行速度，这已经是不错的结果，但距离实践量子通信还远远不够。

Ling目前正在组织一批澳大利亚的物理学家，计划在两颗卫星之间实现量子信息传送。加拿大航空局最近也宣布出资支持一颗小型量子科学卫星。欧洲和美国的团队则提议把量子科学设施送上国际空间站，实现空间站和地面的量子纠缠分发。这样的话，就能观察引力场改变的情况下，量子纠缠态是否会受到影响。