有人问,世界第一颗量子卫星为什么叫"墨子号?

发表于  06/16 20:07   约8分钟

还记得去年8月16日,全球首颗量子科学实验卫星“墨子号”在酒泉卫星发射中心成功发射吗?这颗卫星从研制,到发射,直到今天,一直受到人们的持续关注。

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  6月15日,《科学》杂志封面上,“墨子号”从星空向地面发出两道光,好像两条长腿跨出一大步,象征着量子通信向实用迈进一大步。《科学》杂志报告说,中国“墨子号”量子卫星在世界上首次实现千公里量级的量子纠缠,这意味着量子通信向实用迈出一大步。

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  那么“墨子号”的名字是怎么来的?对人类、对中国到底有什么重要意义,中国在此项技术上到底取得了什么突破?

 

世界第一颗量子卫星为什么叫”墨子号?

 

  我国量子科学实验卫星首席科学家、中国科学院院士潘建伟说:“卫星之名取自于我国科学家先贤,体现了我们的文化自信。”

  在潘建伟看来,哲学家、墨家学派创始人墨子也是一位鲜为人知的伟大科学家,《墨经》里记载了世界上第一个“小孔成像”实验,该实验解释了小孔成倒像的原因,而这正是现代照相技术原理的起源。

  潘建伟说,这个实验指出了光是沿着直线传播的,也是第一次对光直线传播进行科学解释——这在光学中是非常重要的一条原理,为量子通信的发展打下了一定的基础。

  取“墨子号”来命名量子卫星,和卫星本身的意义相符,也体现了我们的文化自信。

  根据潘建伟所说,量子通信是目前人类唯一已知的无条件安全的通信方式,根据量子理论能解决通信安全的问题。我国发射的全球第一颗量子科学实验卫星,意味着将在世界上率先实践量子通信。

 

他们说:这是史诗般的实验

 

  这篇登上《Science》封面的论文,得到了审稿人的高度评价:这一成果是“兼具潜在实际应用和基础科研重要性的重大技术突破”、“毫无疑问将在学术界和广大社会公众中产生非常巨大的影响”。

  更是获得了同行科学家的一致认可。

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  美国波士顿大学量子技术专家亚历山大·谢尔吉延科说,这是一个英雄史诗般的实验,因为有许多不利因素可能破坏这个里程碑式实验中光子纠缠的量子性质,这对研究人员很不利。中国研究人员的技巧、坚持和对科学的奉献应该得到最高的赞美与承认。

  加拿大卡尔加里大学物理学家沃夫冈·迪塔尔表示,“我已经被中国团队的结果震惊了,我个人之前看到量子卫星发射后,并不确定能获得什么结果”,也不确定他们是否能用它实现技术突破。

  加拿大滑铁卢大学量子项目成员托马斯·詹内怀恩表示,这个中国团队已克服了好几个重大技术与科学挑战,清楚地表明了他们在量子通信领域处于世界领先地位。

  他还说:“这是一项伟大成就,他们从这个大胆的想法开始,最终成功将它实现了。”

  巴黎量子计算中心的副主任伊兰妮·迪亚曼蒂对《连线》杂志这样评价道:“就量子通讯网络的距离延伸来讲,这是里程碑式的成就。”

  国际知名量子信息科技先驱埃克特·艾克教授在给BBC发的邮件中也兴奋地写到:“中国的试验是一项非凡的技术成就。”

  艾克教授还在邮件中回忆到,上世纪90年代,他在牛津大学读书时,便提出了利用成对光子进行加密的想法。“我提出这个方案时,可没想过它会被提升到如此的高度。”

  对于未来的研究方向,潘建伟表示,除了量子密钥和通信实验之外,他们还将运用“墨子号”测试重力对于量子纠缠形态的影响,并将在两年内发射另一颗量子卫星。其他同事认为这个想法太雄心勃勃了,因为这意味着两套在太空中的量子发射系统,可能实现宇宙中的量子纠缠。

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  专业知识不懂没关系,一组漫画告诉你。

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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。

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  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”。

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  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。

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  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。

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  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。

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  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。

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  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。

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  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。

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  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。

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  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”。

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  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。

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  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。

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  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。

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  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。

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  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。

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  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。

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  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。

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  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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思客综编自墨子沙龙、中国日报

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