怎么辦呢？有兩種方案，一種是利用量子中繼，一個個中繼站就有點像古時候的驛站，一段段地傳遞光子，但是目前來說量子中繼的研究還是受到了量子存儲的時間和效率限制；另一個方案就是利用衛(wèi)星實現(xiàn)量子糾纏分發(fā)，外太空的真空環(huán)境對光的傳輸幾乎不存在衰減和退相干效應(yīng)。星地間的自由空間信道損耗小，甚至理論上，利用衛(wèi)星，科學(xué)家們可以在地球上的任意兩點之間建立起量子信道，有可能在全球尺度上實現(xiàn)超遠(yuǎn)距離的量子糾纏分發(fā)。

2016年12月9日，在西藏阿里觀測站，科研人員在做實驗。

可喜的是，這方面，中國人走在了世界前列。

早在2003年，中國的潘建偉團(tuán)隊就提出了利用衛(wèi)星實現(xiàn)遠(yuǎn)距離量子糾纏分發(fā)的方案，并開始了初步驗證。團(tuán)隊的研究人員認(rèn)為，要想證明衛(wèi)星實現(xiàn)量子糾纏分發(fā)這事可行，就必須要證明光子能在穿透大氣層后仍保持相干性，于是，他們開始在合肥大蜀山做實驗。這個實驗里，發(fā)送方在大蜀山，兩個接收點分別在幾公里之外的肥西農(nóng)戶家和中科大西校區(qū)。實驗在國際上首次實現(xiàn)了水平距離13公里（大氣層垂直厚度約為5-10公里）的自由空間雙向量子糾纏分發(fā)，證明了在經(jīng)過遠(yuǎn)距離大氣信道傳輸之后糾纏態(tài)仍能“存活”，另一方面，這個傳輸距離超過了大氣層的等效厚度，證實了遠(yuǎn)距離自由空間量子通信的可行性。

2005年水平距離13公里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?；谇捌陉P(guān)鍵技術(shù)準(zhǔn)備，2011年底，中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項“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)了首個超過102km的量子糾纏分發(fā)實驗。實驗中衰減最高達(dá)80dB，一方面在更大尺度上驗證了經(jīng)過大氣信道傳輸糾纏特性仍然存活，另一方面驗證了在衰減非常大的情況下糾纏特性能夠保持，進(jìn)一步驗證了衛(wèi)星-地面糾纏分發(fā)的可行性。

隨后的幾年，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。在億萬人的目光中，于2016年8月16日成功將“墨子號”送入軌道。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。

墨子號量子科學(xué)實驗衛(wèi)星

星地量子糾纏分發(fā)作為“墨子號”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)星上有三臺光學(xué)有效載荷，量子糾纏光源制備成對的糾纏光子，并由兩臺光學(xué)天線發(fā)送。當(dāng)衛(wèi)星過境時，兩臺望遠(yuǎn)鏡分別指向德令哈和麗江地面站，兩個地面站的接收系統(tǒng)按照衛(wèi)星飛行角速度，隨著衛(wèi)星轉(zhuǎn)動，使得衛(wèi)星同時與兩個地面站建立量子信道，將糾纏光子發(fā)送到地面站。緊接著地面站對光子進(jìn)行糾纏測量，符合統(tǒng)計數(shù)足夠多的情況下，即可驗證貝爾不等式成立與否。

此次實驗中，兩個地面站相距1200公里，衛(wèi)星到兩個地面站的總距離平均為2000公里，地面站跟瞄精度達(dá)到0.4 urad，地面站系統(tǒng)接收效率大于20%。衛(wèi)星上的糾纏源每秒可產(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，使得大量的統(tǒng)計數(shù)據(jù)可以在很短時間內(nèi)得到。如果在這么長的距離上用光纖傳輸光子，即使選用超低損耗光纖，分發(fā)一對光子需3萬年。

實驗中，兩個光子被拉開足夠大的距離，同時高精度的實驗技術(shù)保證兩地的獨立測量時間間隔足夠小，滿足了Bell不等式測量中“類空間隔”[2]的測量要求，關(guān)閉了局域性漏洞和測量選擇漏洞。實驗結(jié)果表明，以4倍標(biāo)準(zhǔn)偏差違背了貝爾不等式，也就是說，以超過99.9%的置信度在千公里距離上驗證了量子力學(xué)的正確性。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。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)》雜志上。除了量子糾纏分發(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，也在緊張順利地進(jìn)行中，預(yù)計今年會有更多的科學(xué)成果陸續(xù)對公眾發(fā)布。

2016年11月28日，在河北興隆觀測站，“墨子號”量子科學(xué)實驗衛(wèi)星過境

注：

[1]Bell不等式有多種著名的推廣，考慮到實驗的現(xiàn)實因素，Bell不等式提出的五年后， John Clauser、Michael Horne、Abner Shimony、Richard A. Holt提出了一個CHSH不等式，后來的實驗中對Bell不等式的實驗主要就是驗證CHSH不等式。

[2]類空間隔是指兩事件的時空間隔滿足“兩事件之間不可能用低于光速的信息進(jìn)行聯(lián)系。

感謝中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)合肥微尺度實驗室張文卓副研究員、鄒密及李東東對本文成文的幫助。