一直以來，人們?cè)O(shè)計(jì)了各種實(shí)驗(yàn)方案驗(yàn)證貝爾不等式正確與否，陸陸續(xù)續(xù)地，一些實(shí)驗(yàn)小組的結(jié)果傾向于支持貝爾不等式的破壞——即證明了量子力學(xué)的正確性。第一個(gè)真正確定性的實(shí)驗(yàn)是由法國物理學(xué)家阿斯派克特做出的，他們?cè)谏鲜兰o(jì)七十年代做出的三個(gè)實(shí)驗(yàn)給出了量子力學(xué)非定域性的明確結(jié)論，但是最初的這些實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證仍然存在漏洞。近年來不同國家的實(shí)驗(yàn)小組都嘗試在實(shí)驗(yàn)中逐步關(guān)閉了局域漏洞、自由選擇漏洞和探測(cè)效率漏洞，所有的實(shí)驗(yàn)結(jié)果都支持量子力學(xué)的結(jié)論，證明定域?qū)嵲谡撌清e(cuò)誤的。

Bell不等式走出實(shí)驗(yàn)室，飛向更遠(yuǎn)處

Bell不等式的破壞在實(shí)驗(yàn)室被驗(yàn)證，那么在更大的尺度上情況又如何呢？如果人們能在更遠(yuǎn)的距離驗(yàn)證量子糾纏的存在，也就意味著在更大的空間尺度上驗(yàn)證量子力學(xué)的正確性。于是，人們想要帶Bell不等式往更遠(yuǎn)的地方飛去。但是在更大尺度上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，存在一個(gè)攔路虎——衰減。這是什么意思呢？在實(shí)際實(shí)驗(yàn)中，人們常常用一種叫做“量子糾纏分發(fā)”的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證Bell不等式，它是把制備好的兩個(gè)糾纏粒子（通常為光子）分別發(fā)送到相距很遠(yuǎn)的兩個(gè)點(diǎn)，通過觀察兩個(gè)點(diǎn)的測(cè)量結(jié)果是否符合貝爾不等式來驗(yàn)證量子力學(xué)和定域?qū)嵲谡撌雽?duì)孰非。由于制備和發(fā)送的是一對(duì)對(duì)單光子，量子的不可復(fù)制性又決定了單光子的信號(hào)是不可放大的，光纖固有的光子損耗導(dǎo)致光量子傳輸很難向更遠(yuǎn)距離拓展。在地球表面，百公里級(jí)別的量子糾纏分發(fā)幾乎已經(jīng)是極限。

怎么辦呢？有兩種方案，一種是利用量子中繼，一個(gè)個(gè)中繼站就有點(diǎn)像古時(shí)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(chǔ)的時(shí)間和效率限制；另一個(gè)方案就是利用衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)量子糾纏分發(fā)，外太空的真空環(huán)境對(duì)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(diǎn)之間建立起量子信道，有可能在全球尺度上實(shí)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(cè)站，科研人員在做實(shí)驗(yàn)。

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(duì)就提出了利用衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離量子糾纏分發(fā)的方案，并開始了初步驗(yàn)證。團(tuán)隊(duì)的研究人員認(rèn)為，要想證明衛(wèi)星實(shí)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(shí)驗(yàn)。這個(gè)實(shí)驗(yàn)里，發(fā)送方在大蜀山，兩個(gè)接收點(diǎn)分別在幾公里之外的肥西農(nóng)戶家和中科大西校區(qū)。實(shí)驗(yàn)在國際上首次實(shí)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(gè)傳輸距離超過了大氣層的等效厚度，證實(shí)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(duì)又在國際上首次實(shí)現(xiàn)了基于量子糾纏分發(fā)的16公里量子態(tài)隱形傳輸。基于前期關(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(xiàng)“量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星”正式立項(xiàng)。2012年，潘建偉領(lǐng)導(dǎo)的中科院聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)在青海湖實(shí)現(xiàn)了首個(gè)超過102km的量子糾纏分發(fā)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)中衰減最高達(dá)80dB，一方面在更大尺度上驗(yàn)證了經(jīng)過大氣信道傳輸糾纏特性仍然存活，另一方面驗(yàn)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(yàn)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(duì)經(jīng)過艱苦攻關(guān)，克服種種困難，最終研制成功了“墨子號(hào)”量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星。在億萬人的目光中，于2016年8月16日成功將“墨子號(hào)”送入軌道。經(jīng)過四個(gè)月的在軌測(cè)試，2017年1月18日正式交付開展科學(xué)實(shí)驗(yàn)。

墨子號(hào)量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星

星地量子糾纏分發(fā)作為“墨子號(hào)”衛(wèi)星的三大科學(xué)實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)。

“墨子號(hào)”量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星上有三臺(tái)光學(xué)有效載荷，量子糾纏光源制備成對(duì)的糾纏光子，并由兩臺(tái)光學(xué)天線發(fā)送。當(dāng)衛(wèi)星過境時(shí)，兩臺(tái)望遠(yuǎn)鏡分別指向德令哈和麗江地面站，兩個(gè)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(dòng)，使得衛(wèi)星同時(shí)與兩個(gè)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(duì)光子進(jìn)行糾纏測(cè)量，符合統(tǒng)計(jì)數(shù)足夠多的情況下，即可驗(yàn)證貝爾不等式成立與否。

此次實(shí)驗(yàn)中，兩個(gè)地面站相距1200公里，衛(wèi)星到兩個(gè)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(gè)糾纏光子對(duì)，建立光鏈路可以以每秒1對(duì)的速度在地面超過1200公里的兩個(gè)站之間建立量子糾纏，使得大量的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可以在很短時(shí)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(duì)光子需3萬年。

實(shí)驗(yàn)中，兩個(gè)光子被拉開足夠大的距離，同時(shí)高精度的實(shí)驗(yàn)技術(shù)保證兩地的獨(dú)立測(cè)量時(shí)間間隔足夠小，滿足了Bell不等式測(cè)量中“類空間隔”[2]的測(cè)量要求，關(guān)閉了局域性漏洞和測(cè)量選擇漏洞。實(shí)驗(yàn)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(yàn)證了量子力學(xué)的正確性。實(shí)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(yàn)。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(shí)驗(yàn)研究，以及開展外太空廣義相對(duì)論、量子引力等物理學(xué)基本原理的實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)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(shí)驗(yàn)外，“墨子號(hào)”量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星的其它重要科學(xué)實(shí)驗(yàn)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(jì)今年會(huì)有更多的科學(xué)成果陸續(xù)對(duì)公眾發(fā)布。

2016年11月28日，在河北興隆觀測(cè)站，“墨子號(hào)”量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星過境

注：

[1]Bell不等式有多種著名的推廣，考慮到實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)實(shí)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(gè)CHSH不等式，后來的實(shí)驗(yàn)中對(duì)Bell不等式的實(shí)驗(yàn)主要就是驗(yàn)證CHSH不等式。

[2]類空間隔是指兩事件的時(shí)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(shí)驗(yàn)室張文卓副研究員、鄒密及李東東對(duì)本文成文的幫助。