"墨子号"完成最难实验:现实版超时空传送?

2017-08-11 10:28 测控要闻   来源:新华社

导读中国科学家在首颗量子科学实验卫星“墨子号”上完成了一项特殊实验:从地面到太空的量子隐形传态。这也是“墨子号”最难做的一项实验,它还常常被人联想到科幻电影《星际迷航》中的超时空传输。它们是一回事吗?  

墨子号”地星量子隐形传态实验,2016年11月摄于西藏阿里,星上绿色信标光将空中的薄云照亮。(中科院供图)

中国科学家在首颗量子科学实验卫星“墨子号”上完成了一项特殊实验:从地面到太空的量子隐形传态。这也是“墨子号”最难做的一项实验,它还常常被人联想到科幻电影《星际迷航》中的超时空传输。它们是一回事吗?

墨子号”的地星量子隐形传态实验成果10日发表在国际权威学术期刊《自然》杂志上。《自然》杂志审稿人称赞实验结果“代表了远距离量子通信持续探索中的重大突破”, “目标非常新颖并极具挑战性,它代表了量子通信方案现实实现中的重大进步”。

中国科学院院士、量子卫星首席科学家潘建伟说,量子隐形传态是量子通信的一个重要内容,它利用量子纠缠可以将物质的未知量子态精确传送到遥远地点,而不用传送物质本身。

这有点像孙悟空的“筋斗云”,也像《星际迷航》中,宇航员在特殊装置中说一句“发送我吧”,他就瞬间转移到另一个星球。

 

当然,这只是个比喻。科学家指出,量子隐形传态实验中,被传输的是信息而并非实物。把粒子A的未知量子态传输给远处的另一个粒子B,让B粒子的状态变成A粒子最初的状态。注意传的是状态而不是粒子,A、B的空间位置都没有变化,并不是把A粒子传到远处。当B获得这个状态时,A的状态也必然改变,任何时刻都只能有一个粒子处于目标状态,所以并不能复制状态,或者说这是一种破坏性的复制。

 

潘建伟说, “墨子号”量子隐形传态实验采用地面发射纠缠光子、天上接收的方式。卫星过境时与海拔5100米的西藏阿里地面站建立光链路,地面光源每秒产生8000个量子隐形传态事例,实验通信距离从500公里到1400公里,实验传送了6个量子态,置信度均大于99.7%。

“假设在同样长度的光纤中重复这一工作,需要3800亿年,也就是宇宙年龄的20倍,才能观测到1个事例。”潘建伟说。

他说:“这一重要成果为未来开展空间尺度量子通信网络研究,以及空间量子物理学和量子引力实验检验等研究奠定了可靠的技术基础。”

 

墨子号”地星量子隐形传态实验,2017年4月摄于西藏阿里。(中科院供图)

潘建伟介绍,在“墨子号”开展的星地高速量子密钥分发、量子纠缠分发和地星量子隐形传态三大实验中,量子隐形传态实验是最难的。因为前两个实验都是从卫星向地面传送光子,在起初的490公里真空中不会受到大气影响,只有最后10公里进入大气层最稠密的部分时会受到影响。但是量子隐形传态实验是从地面向卫星发送光子,最初10公里就受到影响,到后来光斑被放大,抖动特别厉害,接收效率就会大大降低。

量子隐形传态是1993年由六位物理学家联合提出的。1997年,潘建伟的老师、奥地利物理学家塞林格带领的团队首次实现了传送一个光子的自旋。他们在《自然》上发表了一篇题为《实验量子隐形传态》的文章,潘建伟是第二作者。这篇文章后来入选《自然》“百年物理学21篇经典论文”,跟它并列的论文包括伦琴发现X射线、爱因斯坦建立相对论、沃森和克里克发现DNA双螺旋结构等。

 

2016年12月10日,在西藏阿里观测站,“墨子号”量子科学实验卫星过境,科研人员在做实验(合成照片)。新华社记者 金立旺 摄

事实上,在量子态隐形传态的漫长旅程中,每一点距离的进步都可以被视为一座里程碑。虽然最初的传输距离仅为数米,但美国《科学》杂志的评语是:“尽管想要看到《星际迷航》中‘发送我吧’这样的场景,我们还得等上很多年,但量子态隐形传态这项发现,预示着我们将进入由具有不可思议能力的量子计算机发展而带来的新时代。”

人类想离开太阳系去看看,量子隐形传态能否在未来成为人类星际旅行的方式?

潘建伟指出,传送几十、几百个微观粒子会在不久的将来实现,但要传送复杂的实物现在还是一种科学幻想。人是由10的28次方个粒子组成的,所以人类通过这种方式星际旅行还是个遥不可及的梦想。

 

2016年12月10日,在西藏阿里观测站,“墨子号”量子科学实验卫星过境,科研人员在做实验(合成照片)。 新华社记者 金立旺 摄

但他说,300多年前开普勒给伽利略写了一封信,说人类应该造一艘能够在太空中飞翔的帆船,去探索宇宙的奥秘。大约260年后的1969年,美国阿波罗计划让人类登陆月球成为现实,现在人类飞行器已经到了太阳系的边缘。“我不敢说超时空传送真的能实现,但是科学的发展是不能预测的。”

即使这样的科幻永远无法实现,量子隐形传态研究也是有现实意义的。潘建伟说,量子隐形传态可用于量子计算和量子网络方面的研究。科学家正在研发的量子计算机之间未来要实现互联互通,进行协同计算,就需要量子隐形传态。

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