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2017年6月16日，《科学》杂志封面刊登出了中国“墨子号”量子卫星的最新成果。潘建伟团队在500公里的高空向相距1203公里的两个地面站发送纠缠光子对，首次实现了千公里级的量子纠缠分发实验。这项成果不仅刷新了世界纪录，也进一步验证了量子力学的正确性，同时为将来开展大尺度量子网络和量子通信实验研究等打下了基础。 △ 《科学》杂志封面。（图片来源：Science） 量子纠缠是量子力学中最难令人困惑的概念，它可以简单的被描述为：两个处于未知状态的纠缠粒子可以保持一种特殊的关联，一旦我们测量其中一个粒子的状态(比如该粒子的自旋向上，或“0”)，就能够瞬间知道另一个粒子的状态(即自旋向下，或“1)，无论它们之间的距离有多么远。 这种瞬时感应被爱因斯坦称为“鬼魅般的超距作用”，也因此引发了爱因斯坦和玻尔的世纪论战。过去已经有许多的实验，包括这次墨子号的实验，都支持了玻尔的观点——验证了量子力学的正确性。（关于这一争论有兴趣的读者可阅读《宇宙贝尔实验室》，文中提到了贝尔不等式、隐变量、定域实在论等概念。） 但是，在大多数我们看到的文章中都没有解释这么一个问题：“如何制造量子纠缠？” 通过下面的实验设置，就可以产生纠缠的光子对： △ 在墨子号中，进行光子纠缠的实验设置。（图片来源：Science） 通常，大多数文章都会将这个实验简单的描述为：“一束紫外激光被发射到一种特殊的晶体。接着，该晶体会释放一对偏振方向相反的纠缠光子。” 但是，为什么激光通过晶体就会产生纠缠的光子对？这是许多人困惑的。事实上，产生纠缠粒子对的方法有好几种，但我接下来会简单地描述一个最常被用到，也是最容易的一种。 这个方法是通过一种叫做自发参量下转换(SPDC)的过程来实现量子纠缠的。听起来好像很复杂，但其实原理很简单。 将一个高能的光子发射到一个非线性的晶体时，该光子会被分裂成两个只有初始能量一半的光子（能量守恒定律）。需要注意的是，这是一个非常低概率的事件，并不是每个光子通过晶体都会被分裂，有许多的光子会毫不受影响的通过晶体。但是一束激光包含了数万亿个光子，因此也能产生可观数量的光子对。 这个过程存在着一点随机性，比如被分裂的两个光子朝着相同的方向传播，这并不是我们想要的： （图片来源：whentheappledrops） 但是根据动量守恒，我们可以预测发射出来的光子对会朝相反的方向传播，因此我们就可以正确的置放镜片的位置。像这种情况： （图片来源：whentheappledrops） 这样的两个光子就算“纠缠”了么？当然没有，我们还需要知道一个很重要的性质，即偏振。光子朝着不同方向进行振动，就会有不同类型的偏振，比如水平偏振、垂直偏振或圆偏振。 如果晶体的光学轴是垂直的，那么发射垂直偏振的光子后，晶体就会将它们分裂成两个水平偏振的光子： （图片来源：George Musser） 如果晶体的光学轴是水平的，并发射水平偏振的光子，晶体就会将它们分裂成两个垂直偏振的光子： （图片来源：George Musser） 但是，如果你想得到纠缠的光子，还需要一个额外的条件：偏振必须是不确定的。换句话说，我们无法确定被分离的光子究竟是水平偏振还是垂直偏振。 为了达到这个目的，我们需要将两种不同类型的晶体粘在一起。接着发射一束对角的偏振光，即水平和垂直偏振光的混合态。如此，我们就无法确定究竟是哪种晶体将它们分裂，发射出来的光子就同时处于水平偏振和垂直偏振的叠加态： （图片来源：George Musser） 这样，我们就制造了一对纠缠的光子。接着，就可以将光子对分别发射到相距1203公里远的两个地面站。如果其中一个地面站测量了其中一个光子，并确定了它的状态（水平偏振或垂直偏振），就立即能够知道在另一个地面站测量到的光子的状态。 基本上，如果你看到某个关于量子纠缠的实验，至少有75%都是用自发参量下转换的方法来实现量子纠缠。但是这个方法有一个缺点是，每当在实验中制造出纠缠的光子对后，它们会被分别发送到相距很远的两个点进行测量。但是在光纤和大气中传输中的纠缠的光子会很快的衰减，难以长时间的维持，因此在地面上进行这个实验的距离是非常有限的。 而在墨子号上进行实验的优势在于外太空的真空环境对光的传输会造成较少的干扰，因此可以实现长距离量子纠缠分发。在这一方面，中国已经遥遥领先。 关于这次的实验可以观看《科学》制作的视频介绍： |
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