5分钟看懂“墨子号”量子卫星的千公里级量子纠缠分发
►图片来源：flickr
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2016年8月，我们国家发射了一颗量子科学实验卫星“墨子号”。它将首次开展星地间量子保密通信实验和量子隐形传态实验。
今天我们要讲的是它的第三个任务，就是通过向地面发射一对对纠缠光子，来验证一下在量子力学中，“上帝”到底“掷不掷骰子”。
话说量子力学有很多难以理解的现象。比方说，光子可以朝着某个方向进行振动，叫做偏振。
在量子力学中，一个光子居然可以同时处在水平偏振和垂直偏振两个量子状态的叠加态。
但如果你拿一个仪器在这两个方向上测量这样的光子，就会发现，每次测量只会得到其中一个结果：要么是水平的，要么是垂直的。测量结果完全随机。这就是量子力学的另一个怪现象：测量叠加态的结果完全拼概率。
拼概率的怪事，让量子力学的创始人之一爱因斯坦非常不满意，他还因此跟另一个创始人玻尔发生过一场论战。
论战虽然很火爆，但直到两个人去世时，都没有战出胜负来。因为他们的争吵总是停留在理论上。而在物理学中，谁说了都不算，最后还得看实验。
1964年，物理学家约翰·贝尔提出了一个实验方案，能够检验他们谁对谁错。
简而言之，贝尔要让一台机器不断向两个方向发射一对对纠缠光子，然后随机沿着不同的角度，分别对纠缠光子的偏振方向进行测量。
无论它们相距多远，只要你测量其中一个光子，另一个光子也会瞬间发生响应。这是爱因斯坦说的“鬼魅般的超距作用”。
如果量子力学如爱因斯坦所说，每单次的测量结果并不是完全随机产生的，而是由某种人们目前可能还暂时无法理解的所谓“隐变量”操纵的，并且一个地点的测量信息即使以光速飞行，也来不及在实验结束之前影响到另一个地点的测量，那么实验结果就会满足一个不等式，叫做贝尔不等式。
在贝尔不等式的实验中，为了保证测量事件的类空间隔，科学家总是要将两个探测装置相隔一定距离放置。他们每做完一轮实验都会想，如果距离再远一些，量子纠缠是否仍然存在，贝尔不等式的结果会不会改变？会不会受到引力等其它因素的影响？于是，在科学精神的驱使下，他们将探测装置越放越远。
如果在地面上做这个实验，光子就会受到大气的干扰，传输距离不可能太长。所以，之前科学家做过的最远距离的实验是相距100千米。
但是在太空中就不同了，因为卫星轨道附近基本上是真空，大部分空气都贴在地球表面，所以，从太空中向地面发射纠缠光子，受到的干扰就会比较小。
2017年6月，中国科学技术大学潘建伟教授及其同事彭承志等，联合中科院上海技术物理研究所王建宇组、微小卫星创新研究院、光电技术研究所、国家天文台、国家空间科学中心等，利用量子科学实验卫星，在相距1200千米的两个地面站之间，成功完成了贝尔不等式的测量。
实验结果再次表明，爱因斯坦的愿望落空了，他的局域隐变量理论依然不成立。
墨子号卫星的实验结果，将以封面文章的形式发表在Science杂志上。
这个实验表明，中国科学家有能力在太空中，向相距1200千米的两个地面站发送纠缠光子对，这就为将来发展一种基于量子纠缠的量子保密通信打下了基础。
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本文原载微信公众号《墨子沙龙》，《知识分子》获授权刊载。本文所有图片（除注明外）均来自《Sheldon》。
制版编辑：陈婧娴丨
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