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　　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，科研人員在做實(shí)驗(yàn)（合成照片）。新華社記者 金立旺攝

　　中國(guó)科學(xué)家利用量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星，在相距1200千米的兩個(gè)地面站之間，成功完成了貝爾不等式的測(cè)量。這是首次實(shí)現(xiàn)空間尺度嚴(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)。

　　最近幾天，中國(guó)“墨子號(hào)”量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星在國(guó)際上率先實(shí)現(xiàn)千公里級(jí)的量子糾纏分發(fā)，并在此基礎(chǔ)上首次實(shí)現(xiàn)空間尺度嚴(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)，這個(gè)看似與常人不相關(guān)的新聞一度刷屏各大新聞網(wǎng)站。那么，在相距1200公里距離上實(shí)現(xiàn)量子糾纏分發(fā)，究竟意味著什么呢？

　　2016年8月，我們國(guó)家發(fā)射了一顆量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星“墨子號(hào)”。它將首次開展星地間量子保密通信實(shí)驗(yàn)和量子隱形傳態(tài)實(shí)驗(yàn)?！澳犹?hào)”的第三個(gè)任務(wù)，就是通過向地面發(fā)射一對(duì)對(duì)糾纏光子，來驗(yàn)證一下在量子力學(xué)中，“上帝”到底“擲不擲骰子”。

　　世紀(jì)之爭(zhēng)：量子力學(xué)是否完備

　　量子力學(xué)有很多難以理解的現(xiàn)象。比方說，光子可以朝著某個(gè)方向進(jìn)行振動(dòng)，叫做偏振。在量子力學(xué)中，一個(gè)光子居然可以同時(shí)處在水平偏振和垂直偏振兩個(gè)量子狀態(tài)的疊加態(tài)。

　　但如果你拿一個(gè)儀器在這兩個(gè)方向上測(cè)量這樣的光子，就會(huì)發(fā)現(xiàn)，每次測(cè)量只會(huì)得到其中一個(gè)結(jié)果：要么是水平的，要么是垂直的。測(cè)量結(jié)果完全隨機(jī)。這就是量子力學(xué)的另一個(gè)怪現(xiàn)象：測(cè)量疊加態(tài)的結(jié)果“完全拼概率”！

　　拼概率這種怪事，讓量子力學(xué)的創(chuàng)始人之一愛因斯坦大感困惑，他說“上帝不擲骰子”！因此跟另一個(gè)創(chuàng)始人玻爾發(fā)生過一場(chǎng)論戰(zhàn)。

　　論戰(zhàn)雖然很火爆，但直到兩個(gè)人去世時(shí)，都沒有分出勝負(fù)來。因?yàn)樗麄兊臓?zhēng)吵總是停留在理論上。而在物理學(xué)中，誰說了都不算，最后還得看實(shí)驗(yàn)。量子糾纏是量子物理中一個(gè)最深遠(yuǎn)和最令人費(fèi)解的現(xiàn)象，被愛因斯坦稱為“幽靈般的超距作用”，它是兩個(gè)（或多個(gè)）粒子共同組成的量子狀態(tài)，無論粒子之間相隔多遠(yuǎn)，測(cè)量其中一個(gè)粒子必然會(huì)影響其他粒子。

　　盡管愛因斯坦不相信存在“遙遠(yuǎn)地點(diǎn)間的詭異互動(dòng)”，他認(rèn)為量子力學(xué)對(duì)客觀世界的描述是不完備的，量子力學(xué)一定還有某些因素尚待發(fā)現(xiàn)。然而量子力學(xué)的另一位創(chuàng)始人玻爾認(rèn)為量子力學(xué)沒有問題，這種奇異現(xiàn)象是存在的。20世紀(jì)二三十年代，量子力學(xué)就在他們的爭(zhēng)論中發(fā)展起來。

　　貝爾不等式：用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證對(duì)錯(cuò)

　　1964年，物理學(xué)家約翰·貝爾提出了一個(gè)實(shí)驗(yàn)方案，能夠檢驗(yàn)他們誰對(duì)誰錯(cuò)。他設(shè)計(jì)出一個(gè)數(shù)學(xué)公式，也就是貝爾不等式，提供了用實(shí)驗(yàn)在玻爾與愛因斯坦不同觀點(diǎn)之間做出判決的機(jī)會(huì)。

　　簡(jiǎn)而言之，貝爾要讓一臺(tái)機(jī)器不斷向兩個(gè)方向發(fā)射一對(duì)對(duì)糾纏光子，然后隨機(jī)沿著不同的角度，分別對(duì)糾纏光子的偏振方向進(jìn)行測(cè)量。無論它們相距多遠(yuǎn)，只要你測(cè)量其中一個(gè)光子，另一個(gè)光子也會(huì)瞬間發(fā)生響應(yīng)。這是愛因斯坦說的“鬼魅般的超距作用”。

　　如果量子力學(xué)如愛因斯坦所說，每單次的測(cè)量結(jié)果并不是完全隨機(jī)產(chǎn)生的，而是由某種人們目前可能還暫時(shí)無法理解的所謂“隱變量”操縱的，并且一個(gè)地點(diǎn)的測(cè)量信息即使以光速飛行，也來不及在實(shí)驗(yàn)結(jié)束之前影響到另一個(gè)地點(diǎn)的測(cè)量，那么實(shí)驗(yàn)結(jié)果就會(huì)滿足一個(gè)不等式，叫做貝爾不等式。

　　在貝爾不等式的實(shí)驗(yàn)中，為了保證測(cè)量事件的類空間隔，科學(xué)家總是要將兩個(gè)探測(cè)裝置相隔一定距離放置。他們每做完一輪實(shí)驗(yàn)都會(huì)想，如果距離再遠(yuǎn)一些，量子糾纏是否仍然存在，貝爾不等式的結(jié)果會(huì)不會(huì)改變？會(huì)不會(huì)受到引力等其它因素的影響？于是，在科學(xué)精神的驅(qū)使下，科學(xué)家們將探測(cè)裝置越放越遠(yuǎn)。

　　如果在地面上做這個(gè)實(shí)驗(yàn)，光子就會(huì)受到大氣的干擾，傳輸距離不可能太長(zhǎng)。所以，之前科學(xué)家做過的最遠(yuǎn)距離的實(shí)驗(yàn)是相距144千米。而且，目前科學(xué)家所進(jìn)行的所有實(shí)驗(yàn)都支持玻爾的觀點(diǎn)。

　　但是在太空中就不同了，因?yàn)樾l(wèi)星軌道附近基本上是真空，大部分空氣都貼在地球表面，所以，從太空中向地面發(fā)射糾纏光子，受到的干擾就會(huì)比較小。

　　領(lǐng)跑世界：迄今最好的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

　　量子糾纏在更遠(yuǎn)的距離上是否仍然存在？會(huì)不會(huì)受到引力等其他因素的影響？世界首顆量子衛(wèi)星“墨子號(hào)”首席科學(xué)家、中國(guó)科學(xué)院院士潘建偉說，這些基本物理問題的驗(yàn)證都需要實(shí)現(xiàn)上千公里甚至更遠(yuǎn)距離的糾纏分發(fā)；另一方面，要實(shí)現(xiàn)廣域的量子網(wǎng)絡(luò)也自然要求遠(yuǎn)距離的糾纏分發(fā)。

　　由于量子糾纏非常脆弱，會(huì)隨著光子在光纖內(nèi)或者地表大氣中的傳輸距離而衰減，以往的量子糾纏分發(fā)實(shí)驗(yàn)只停留在百公里的距離。

　　2017年6月，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉教授及其同事彭承志等，聯(lián)合中科院上海技術(shù)物理研究所王建宇組、微小衛(wèi)星創(chuàng)新研究院、光電技術(shù)研究所、國(guó)家天文臺(tái)、國(guó)家空間科學(xué)中心等，利用量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星，在相距1200千米的兩個(gè)地面站之間，成功完成了貝爾不等式的測(cè)量。

　　這是首次實(shí)現(xiàn)空間尺度嚴(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)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果再次表明，愛因斯坦的愿望落空了，他的局域隱變量理論依然不成立?！澳犹?hào)”開展的量子糾纏分發(fā)實(shí)驗(yàn)在關(guān)閉局域性漏洞和測(cè)量選擇漏洞的條件下，獲得的實(shí)驗(yàn)結(jié)果以4倍標(biāo)準(zhǔn)偏差違背了貝爾不等式，即在千公里的空間尺度上實(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)，再次支持了玻爾的觀點(diǎn)。

　　6月16日國(guó)際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》雜志以封面論文的形式刊登了中國(guó)科學(xué)家在空間量子物理研究方面取得的重大突破。《科學(xué)》雜志審稿人稱贊該成果是“兼具潛在實(shí)際現(xiàn)實(shí)應(yīng)用和基礎(chǔ)科學(xué)研究重要性的重大技術(shù)突破”，“絕對(duì)毫無疑問將在學(xué)術(shù)界和廣大的社會(huì)公眾中產(chǎn)生非常巨大影響”。

　　“到目前為止，這是我一生中最重要的實(shí)驗(yàn)研究成果。”潘建偉說：“我們首次能在太空尺度對(duì)微觀物理學(xué)定律檢驗(yàn)，而且為將來開展量子引力檢驗(yàn)，探索物理學(xué)中的很多基本規(guī)律奠定了必要的技術(shù)基礎(chǔ)，打開了一扇大門。這些技術(shù)將來還能應(yīng)用于建設(shè)量子網(wǎng)絡(luò)?！?/p>

　　潘建偉團(tuán)隊(duì)已經(jīng)確立了更為長(zhǎng)遠(yuǎn)的目標(biāo)：“下一步，我們希望能在地月拉格朗日點(diǎn)上放一個(gè)光源，向人造飛船和月球分發(fā)量子糾纏。我們希望能夠通過對(duì)30萬公里或者更遠(yuǎn)距離的糾纏分發(fā)，來觀測(cè)其性質(zhì)的變化，對(duì)相關(guān)的理論作出解釋。”

　?。ㄔd于《科技日?qǐng)?bào)》 2017-06-22 05版）