爱因斯坦和玻尔留给后人的世纪谜题
量子力学建立初期，“纠缠”这个现象就引起了所有物理学家的好奇，爱因斯坦将其称之为“遥远地点之间的诡异互动”。量子力学中的所谓纠缠是这样一种现象：两个处于纠缠态的粒子可以保持一种特殊的关联状态，两个粒子的状态原本都未知，但只要测量其中一个粒子，就能立即知道另外一个粒子的状态，哪怕它们之间相隔遥远的距离。过去的大半个世纪里，这种现象背后的本质一直深深困惑着科学家们。
上世纪，关于纠缠现象的看法将物理学家划分成了两派：以玻尔为代表的哥本哈根学派认为，对于微观的量子世界，所谓的“实在”只有和观测手段连起来讲才有意义；但爱因斯坦等科学家无法接受这种观点，他们认为量子力学是不完备的，测量结果一定受到了某种“隐变量”的预先决定，只是我们没能探测到它。1935年，爱因斯坦和Podolsky及Rosen一起发表了一篇题为 Can quantum mechanics description of physical reality be consideredcomplete 的文章，论证量子力学的不完备性，通常人们将他们的论证称为EPR佯谬或者Einstein定域实在论。
玻尔和爱因斯坦为此争论了50年，直到他们最后去世问题也没有得到解决，一直吸引着后人想要去验证。
如何验证呢？
说到定域实在论，其实包含了两方面的含义：第一，物理实在论：任何一可观测的物理量必定客观上以确定方式存在，如果没有外界扰动，可观测的物理量应具有确定的数值；第二，定域因果性：如果两个事件之间的四维时空是类空间隔的，则两个事件不存在因果关系。基于这个理解，1964年，爱尔兰物理学家贝尔提出了著名的“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[1]。如果实验上贝尔不等式不成立，则意味着从定域实在论出发的预期不符合量子力学理论，也就是说，量子世界本身就是概率性的。
一直以来，人们设计了各种实验方案验证贝尔不等式正确与否，陆陆续续地，一些实验小组的结果倾向于支持贝尔不等式的破坏——即证明了量子力学的正确性。第一个真正确定性的实验是由法国物理学家阿斯派克特做出的，他们在上世纪七十年代做出的三个实验给出了量子力学非定域性的明确结论，但是最初的这些实验验证仍然存在漏洞。近年来不同国家的实验小组都尝试在实验中逐步关闭了局域漏洞、自由选择漏洞和探测效率漏洞，所有的实验结果都支持量子力学的结论，证明定域实在论是错误的。
Bell不等式走出实验室，飞向更远处
Bell不等式的破坏在实验室被验证，那么在更大的尺度上情况又如何呢？如果人们能在更远的距离验证量子纠缠的存在，也就意味着在更大的空间尺度上验证量子力学的正确性。于是，人们想要带Bell不等式往更远的地方飞去。但是在更大尺度上进行实验，存在一个拦路虎——衰减。这是什么意思呢？在实际实验中，人们常常用一种叫做“量子纠缠分发”的实验验证Bell不等式，它是把制备好的两个纠缠粒子（通常为光子）分别发送到相距很远的两个点，通过观察两个点的测量结果是否符合贝尔不等式来验证量子力学和定域实在论孰对孰非。由于制备和发送的是一对对单光子，量子的不可复制性又决定了单光子的信号是不可放大的，光纤固有的光子损耗导致光量子传输很难向更远距离拓展。在地球表面，百公里级别的量子纠缠分发几乎已经是极限。
怎么办呢？有两种方案，一种是利用量子中继，一个个中继站就有点像古时候的驿站，一段段地传递光子，但是目前来说量子中继的研究还是受到了量子存储的时间和效率限制；另一个方案就是利用卫星实现量子纠缠分发，外太空的真空环境对光的传输几乎不存在衰减和退相干效应。星地间的自由空间信道损耗小，甚至理论上，利用卫星，科学家们可以在地球上的任意两点之间建立起量子信道，有可能在全球尺度上实现超远距离的量子纠缠分发。
可喜的是，这方面，中国人走在了世界前列。
早在2003年，中国的潘建伟团队就提出了利用卫星实现远距离量子纠缠分发的方案，并开始了初步验证。团队的研究人员认为，要想证明卫星实现量子纠缠分发这事可行，就必须要证明光子能在穿透大气层后仍保持相干性，于是，他们开始在合肥大蜀山做实验。这个实验里，发送方在大蜀山，两个接收点分别在几公里之外的肥西农户家和中科大西校区。实验在国际上首次实现了水平距离13公里（大气层垂直厚度约为5-10公里）的自由空间双向量子纠缠分发，证明了在经过远距离大气信道传输之后纠缠态仍能“存活”，另一方面，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。
图1 2005年水平距离13公里的自由空间双向量子纠缠分发
2010年，该团队又在国际上首次实现了基于量子纠缠分发的16公里量子态隐形传输。基于前期关键技术准备，2011年底，中科院战略性先导科技专项“量子科学实验卫星”正式立项。2012年，潘建伟领导的中科院联合研究团队在青海湖实现了首个超过102km的量子纠缠分发实验。实验中衰减最高达80dB，一方面在更大尺度上验证了经过大气信道传输纠缠特性仍然存活，另一方面验证了在衰减非常大的情况下纠缠特性能够保持，进一步验证了卫星-地面纠缠分发的可行性。
随后的几年，该团队经过艰苦攻关，克服种种困难，最终研制成功了“墨子号”量子科学实验卫星。在亿万人的目光中，于2016年8月16日成功将“墨子号”送入轨道。经过四个月的在轨测试，2017年1月18日正式交付开展科学实验。
图2 墨子号量子科学实验卫星
星地量子纠缠分发作为“墨子号”卫星的三大科学实验任务之一，是国际上首次在空间尺度上开展的量子纠缠分发实验。
“墨子号”量子科学实验卫星上有三台光学有效载荷，量子纠缠光源制备成对的纠缠光子，并由两台光学天线发送。当卫星过境时，两台望远镜分别指向德令哈和丽江地面站，两个地面站的接收系统按照卫星飞行角速度，随着卫星转动，使得卫星同时与两个地面站建立量子信道，将纠缠光子发送到地面站。紧接着地面站对光子进行纠缠测量，符合统计数足够多的情况下，即可验证贝尔不等式成立与否。
此次实验中，两个地面站相距1200公里，卫星到两个地面站的总距离平均为2000公里，地面站跟瞄精度达到0.4 urad，地面站系统接收效率大于20%。卫星上的纠缠源每秒可产生800万个纠缠光子对，建立光链路可以以每秒1对的速度在地面超过1200公里的两个站之间建立量子纠缠，使得大量的统计数据可以在很短时间内得到。如果在这么长的距离上用光纤传输光子，即使选用超低损耗光纤，分发一对光子需3万年。
实验中，两个光子被拉开足够大的距离，同时高精度的实验技术保证两地的独立测量时间间隔足够小，满足了Bell不等式测量中“类空间隔”[2]的测量要求，关闭了局域性漏洞和测量选择漏洞。实验结果表明，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。实现了严格满足“爱因斯坦定域性条件”的量子力学非定域性检验。这一重要成果为未来开展大尺度量子网络和量子通信实验研究，以及开展外太空广义相对论、量子引力等物理学基本原理的实验检验奠定了可靠的技术基础。
相关成果以封面论文的形式发表在国际权威学术期刊《科学》杂志上。除了量子纠缠分发实验外，“墨子号”量子科学实验卫星的其它重要科学实验任务，包括高速星地量子密钥分发、地星量子隐形传态等，也在紧张顺利地进行中，预计今年会有更多的科学成果陆续对公众发布。
注：
[1]Bell不等式有多种著名的推广，考虑到实验的现实因素，Bell不等式提出的五年后， John Clauser、Michael Horne、Abner Shimony、Richard A. Holt提出了一个CHSH不等式，后来的实验中对Bell不等式的实验主要就是验证CHSH不等式。
[2]类空间隔是指两事件的时空间隔满足“两事件之间不可能用低于光速的信息进行联系。
感谢中国科学技术大学合肥微尺度实验室张文卓副研究员、邹密及李东东对本文成文的帮助。
作者：林梅
编辑：白泽
来源：墨子沙龙
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