科技新知/「墨子號」完成最難實驗 現實版超時空傳送

  • 「墨子號」地星量子隱形傳態實驗,2016年11月攝於西藏阿里,星上綠色信標光將空中的薄雲照亮。

    「墨子號」地星量子隱形傳態實驗,2016年11月攝於西藏阿里,星上綠色信標光將空中的薄雲照亮。

大陸新聞中心/綜合報導

中國大陸科學家在首顆量子科學實驗衛星『墨子號』上完成了一項特殊實驗:從地面到太空的量子隱形傳態。這也是『墨子號』最難做的一項實驗,它還常常被人聯想到科幻電影《星際迷航》中的超時空傳輸。這到底是怎麼一回事?

根據新華網報導,『墨子號』的地星量子隱形傳態實驗成果10日發表在國際權威學術期刊《自然》雜誌上。《自然》雜誌審稿人稱讚實驗結果『代表了遠距離量子通信持續探索中的重大突破』, 『目標非常新穎並極具挑戰性,它代表了量子通信方案現實實現中的重大進步』。

中國科學院院士、量子衛星首席科學家潘建偉說,量子隱形傳態是量子通信的一個重要內容,它利用量子糾纏可以將物質的未知量子態精確傳送到遙遠地點,而不用傳送物質本身。

這有點像孫悟空的『筋斗雲』,也像《星際迷航》中,宇航員在特殊裝置中說一句『發送我吧』,他就瞬間轉移到另一個星球。


發送我吧!

當然,這只是個比喻。科學家指出,量子隱形傳態實驗中,被傳輸的是資訊而並非實物。把粒子A的未知量子態傳輸給遠處的另一個粒子B,讓B粒子的狀態變成A粒子最初的狀態。注意傳的是狀態而不是粒子,A、B的空間位置都沒有變化,並不是把A粒子傳到遠處。當B獲得這個狀態時,A的狀態也必然改變,任何時刻都只能有一個粒子處於目標狀態,所以並不能複製狀態,或者說這是一種破壞性的複製。


神奇的量子糾纏。

潘建偉說, 『墨子號』量子隱形傳態實驗採用地面發射糾纏光子、天上接收的方式。衛星過境時與海拔5100公尺的西藏阿里地面站建立光鏈路,地面光源每秒產生8000個量子隱形傳態事例,實驗通信距離從500公里到1400公里,實驗傳送了6個量子態,置信度均大於99.7%。

『假設在同樣長度的光纖中重複這一工作,需要3800億年,也就是宇宙年齡的20倍,才能觀測到1個事例。』潘建偉說。

他說:『這一重要成果為未來開展空間尺度量子通信網路研究,以及空間量子物理學和量子引力實驗檢驗等研究奠定了可靠的技術基礎。』


『墨子號』地星量子隱形傳態實驗,2017年4月攝於西藏阿里。

潘建偉介紹,在『墨子號』開展的星地高速量子密鑰分發、量子糾纏分發和地星量子隱形傳態三大實驗中,量子隱形傳態實驗是最難的。因為前兩個實驗都是從衛星向地面傳送光子,在起初的490公里真空中不會受到大氣影響,只有最後10公里進入大氣層最稠密的部分時會受到影響。但是量子隱形傳態實驗是從地面向衛星發送光子,最初10公里就受到影響,到後來光斑被放大,抖動特別厲害,接收效率就會大大降低。

量子隱形傳態是1993年由六位物理學家聯合提出的。1997年,潘建偉的老師、奧地利物理學家塞林格帶領的團隊首次實現了傳送一個光子的自旋。他們在《自然》上發表了一篇題為《實驗量子隱形傳態》的文章,潘建偉是第二作者。這篇文章後來入選《自然》『百年物理學21篇經典論文』,跟它並列的論文包括倫琴發現X射線、愛因斯坦建立相對論、沃森和克里克發現DNA雙螺旋結構等。


2016年12月10日,在西藏阿里觀測站,『墨子號』量子科學實驗衛星過境,科研人員在做實驗(合成照片)。

事實上,在量子態隱形傳態的漫長旅程中,每一點距離的進步都可以被視為一座里程碑。雖然最初的傳輸距離僅為數公尺,但美國《科學》雜誌的評語是:『儘管想要看到《星際迷航》中「發送我吧」這樣的場景,我們還得等上很多年,但量子態隱形傳態這項發現,預示著我們將進入由具有不可思議能力的量子電腦發展而帶來的新時代。』

人類想離開太陽系去看看,量子隱形傳態能否在未來成為人類星際旅行的方式?

潘建偉指出,傳送幾十、幾百個微觀粒子會在不久的將來實現,但要傳送複雜的實物現在還是一種科學幻想。人是由10的28次方個粒子組成的,所以人類通過這種方式星際旅行還是個遙不可及的夢想。


2016年12月10日,在西藏阿里觀測站,『墨子號』量子科學實驗衛星過境,科研人員在做實驗(合成照片)。

但他說,300多年前開普勒給伽利略寫了一封信,說人類應該造一艘能夠在太空中飛翔的帆船,去探索宇宙的奧秘。大約260年後的1969年,美國阿波羅計劃讓人類登陸月球成為現實,現在人類飛行器已經到了太陽系的邊緣。『我不敢說超時空傳送真的能實現,但是科學的發展是不能預測的。』

即使這樣的科幻永遠無法實現,量子隱形傳態研究也是有現實意義的。潘建偉說,量子隱形傳態可用於量子計算和量子網路方面的研究。科學家正在研發的量子電腦之間未來要實現互聯互通,進行協同計算,就需要量子隱形傳態。

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