“量子糾纏”達到新高度

之 涵/編譯

“量子糾纏”達到新高度

之 涵/編譯

圖1 這顆名為“墨子號”的量子科學衛星成功地將成對偏振糾纏光子從近地軌道分發至位于青海德令哈和云南麗江的兩個相距1 200公里的地面站。這種基于衛星的糾纏分發可成為高度安全的量子通信網絡的基礎

● 衛星可將糾纏光子對分發至相距1 200公里的兩個城市，這為全球量子通信網絡開辟了廣闊前景。

2016年8月，當潘建偉看到長征火箭從中國酒泉衛星發射中心發射時，他幾乎喜極而泣。該火箭搭載的量子科學衛星，是中國科技大學（USTC）潘建偉教授與其同事花了5年時間研制并不斷完善的成果。為了獲得6.5億元的項目資金，他花了很多精力游說。當最終看到它離開地面，他說：“簡直是一種解脫。”

這顆衛星以中國古代哲學家墨子的名字命名，被稱為“墨子號”，將成為一個實驗量子通信網絡中樞。首先，衛星從近地太陽同步軌道將成對的偏振糾纏光子依次發射到中國的兩個地面站（見圖1）。通過這樣的傳輸，兩個地面站之間可以秘密交換信息：量子力學認為，一對糾纏光子無論相距多遠，測量一個光子可瞬時決定另一個光子的狀態。由于第三方不破壞光子的糾纏就無法干預光子，所以就沒有辦法實現竊聽而不被發現。

在量子力學領域，沒有任何東西能夠限制兩個光子實現糾纏的距離。但是，它們彼此之間距離越遠，其脆弱的量子態就越有可能被周圍的環境所干擾。從20世紀90年代開始，潘建偉就有了構建量子網絡的設想，當時相距數米長度范圍內的糾纏都有待證實。而要把不同城市或國家連接起來，就必須在數百萬倍的距離上實現糾纏。

如今，在“墨子號”成功發射一年之后，潘建偉及其團隊報告稱，他們實現了量子通信網絡的里程碑：“墨子號”成功將糾纏光子對分發至相距1 200公里的德令哈和麗江。此前，量子力學領域從未實現“鬼魅般的”超距作用。

“一個瘋狂的想法”

“墨子號”的構想始于20年前，當時潘建偉還是奧地利因斯布魯克大學的一名研究生。在那里，他和他的導師安東·塞林格（Anton Zeilinger）及其同事們展示了一個量子傳輸方案：通過測量糾纏光子對中的一個光子和任意量子態的第三個光子，可立即將該量子態投射到另一個糾纏光子上。

潘建偉和塞林格都對量子通信的潛在意義頗感興趣，于是開始思考如何實現長距離糾纏。2001年，潘建偉回到中國科技大學工作，并將240萬元啟動資金中的一半用于構建衛星量子通信網絡。“大家認為這是一個瘋狂的想法，”他回憶道，“因為在遮光性能良好的光學工作臺上開展復雜的量子光學實驗已經極具挑戰，你又怎么可能在太空中開展實驗呢？”

潘建偉主要面臨兩大挑戰。其一就是在遠距離傳輸光子時會碰到的固有困難。盡管光纖可在校園內的兩幢相隔一段距離的建筑物之間分發糾纏光子，但光子在數公里的傳輸過程中會逐漸衰減。而潘建偉卻讓發射的光線直接穿透空氣，很難避免一些光子仍然會因為散射和吸收而損耗。但如果光束和探測器排列得當，這些損耗要比光纖小得多。

在2005年的一次地面測試中，潘建偉及其團隊成功地將糾纏光子從合肥大蜀山山頂分發至合肥市內相距超過10公里的兩個站點。之后，他們又分別在相距16公里的長城上和跨度達100公里的青海湖再現了這一壯舉。到2012年，該團隊定期在距離超過地球大氣10公里等效厚度的太空分發糾纏光子。塞林格也曾在奧地利進行過類似的研究。幾乎無可辯駁的是，糾纏光子可以在太空中傳輸。

不過，光子的產生得另當別論。一個常用的策略是使用非線性晶體將一個泵浦光子轉換成兩個頻率減半的光子——這個過程被稱為自發參量下轉換。如果這些光子的相位和空間模式重疊，它們就會變成糾纏光子。

糾纏光子對產生的比率往往很低，但在地面測試中，潘建偉及其團隊通過泵送大量晶體獲得了大量糾纏光子對。在青海湖，他們使用了一臺1.3 W泵浦激光器，每秒可產生4萬對糾纏光子。但要利用衛星上有限的能源制造出亮度適宜的光子束，他們還需要一個更有效的方案。

潘建偉團隊最終采用了美國麻省理工學院黃毅銓（Franco Wong）團隊制定的策略——將非線性晶體放置在干涉儀中，以改善光子空間模式與相位的重疊。通過使用30 mW激光器進行抽運，該光源每秒能夠產生近600萬對糾纏光子。此外，其關鍵部件——被稱為“薩尼亞克環”的干涉儀——對振動、熱和電磁干擾都不敏感。換句話說，它完全能夠滿足太空傳輸的嚴苛要求。

糾纏態網絡

每天凌晨1點30分左右，“墨子號”會先后快速從德令哈和麗江上空掠過。在大約四分半鐘的時間內，這兩個城市均可看見該衛星。在這個短暫的幾分鐘內，它將成對偏振糾纏紅外光子分發至這兩個站點的地面接收器——與單光子探測器耦合的1米望遠鏡。與糾纏光子一起發射的脈沖激光光束頻率為100千赫，它可以提供一個時間戳：被稱為抖動的輕微相位波動，它可以使地面觀察人員判定兩個光子是否同時發射。兩個地面站發射的紅色激光信標和衛星發射的綠色激光信標可以幫助衛星和接收器定位彼此的位置。反饋控制系統極為精準，衛星的目標因此只受限于光子束的衍射。在到達地面時，光子束的衍射范圍可擴大到直徑達5～15米的區域。

由于衍射、大氣散射、吸收和偶爾的指向誤差，能夠到達兩個地面站的光子對大約為六百萬分之一（或每秒鐘一對）。然而，潘建偉及其同事只花了4分鐘的有效觀測時間，就發現了光子對的關聯性：一個地面站的垂直偏振光子幾乎總是與另一個地面站的水平偏振光子同步。

然而，為了證明這些光子不僅互相關聯，而且具有量子糾纏態，潘建偉及其團隊不得不開展所謂的貝爾不等式實驗。在他們開展的實驗中，使用朝向θD和θ′D兩個角度之一的偏振儀測量分發至德令哈的光子，而另一個分發至麗江的光子則用朝向θL和θ′L兩個角度之一的偏振儀進行測量。測量角度在光子到達前的幾微秒內隨機選擇，因此，在糾纏過程中產生的任何信息都不會影響選擇，而在一個探測儀上做出的任何選擇都無法影響另一個探測儀的測量結果。

根據該協議，貝爾定理可量化量子糾纏產生的關聯性和由經典現象產生的關聯性之間的差異。經過多個晚上的觀察，潘建偉及其團隊明確下了定論∶它們的關聯性不可能是由經典現象產生的。

這一發現完成了“墨子號”三個實驗任務中的第一個。接下來，潘建偉及其團隊希望利用這顆衛星來分發加密密鑰，并最終完成量子傳輸。他們還計劃開發新的網絡∶在一項由塞林格參與的研究中，“墨子號”可能不久就會將光子分發至一個位于維也納的地面站。

在通往實用性量子通信網絡的道路上仍然會遇到絆腳石。目前的傳輸速率為1比特/秒，這對于大多數應用來說都是不可行的。潘建偉及其團隊如果希望在白天探測到糾纏光子，就必須大幅改進噪聲過濾方案。

盡管如此，“墨子號”仍然為人類提供了探索基礎物理學的直接手段。潘建偉尤其熱衷于探索量子力學和引力之間的相互作用。他介紹說：“我們已經建立了一個量子光學實驗室，其實驗空間高達100萬平方公里。我們可以以地面上無法企及的距離和速度開展實驗。”

[資料來源：Physics Today][責任編輯：游 溪]