“墨子號”量子科學實驗衛星在國際上率先實現千公里級的量子糾纏分發，并在此基礎上首次實現空間尺度嚴格滿足“愛因斯坦定域性條件”的量子力學非定域性檢驗，為未來開展大尺度量子網絡和量子通信實驗研究，以及開展外太空廣義相對論、量子引力等物理學基本原理的實驗檢驗奠定了可靠的技術基礎。

近日，中國科學技術大學潘建偉教授及其同事彭承志等組成的研究團隊，聯合中國科學院上海技術物理研究所王建宇研究組、微小衛星創新研究院、光電技術研究所、國家天文臺、紫金山天文臺、國家空間科學中心等，在中國科學院空間科學戰略性先導科技專項的支持下，利用“墨子號”量子科學實驗衛星在國際上率先成功實現了千公里級的星地雙向量子糾纏分發，并在此基礎上實現了空間尺度下嚴格滿足“愛因斯坦定域性條件”的量子力學非定域性檢驗，在空間量子物理研究方面取得重大突破。相關成果于6月16日以封面論文的形式發表在國際權威學術期刊《科學》雜志上。

量子糾纏被愛因斯坦稱之為“鬼魅般的超距作用”，它是兩個（或多個）粒子共同組成的量子狀態，無論粒子之間相隔多遠，測量其中一個粒子必然會影響其它粒子，這被稱為量子力學非定域性。量子糾纏所體現的非定域性是量子力學最神奇的現象之一。量子糾纏分發就是把制備好的兩個糾纏粒子（通常為光子）分別發送到相距很遠的兩個點。通過觀察兩個點的統計測量結果是否破壞貝爾不等式，可以用來驗證量子力學非定域性的存在。同時，利用量子糾纏所建立起的量子信道，也是構建量子信息處理網絡的基本單元。

由于量子糾纏非常脆弱，會隨著光子在光纖內或者地表大氣中的傳輸距離而衰減，以往的量子糾纏分發實驗只停留在百公里的距離。量子糾纏“鬼魅般的超距作用”在更遠的距離上是否仍然存在？會不會受到引力等其它因素的影響？這些基本物理問題的驗證都需要實現上千公里甚至更遠距離的糾纏分發；另一方面，要實現廣域的量子網絡也自然要求遠距離的糾纏分發。

理論上有兩種途徑可以擴展量子糾纏分發的距離。一種是利用量子中繼，盡管量子中繼的研究在近些年已取得了系列重要突破，但是目前仍然受到量子存儲壽命和讀出效率等因素的嚴重制約而無法實際應用于遠程量子糾纏分發。另一種是利用衛星，因為星地間的自由空間信道損耗小，在遠程量子通信中比光纖更具可行性，結合衛星的幫助，可以在全球尺度上實現超遠距離的量子糾纏分發。

潘建偉團隊早在2003年就提出了利用衛星實現遠距離量子糾纏分發的方案，隨后于2005年在國際上首次實現了水平距離13公里（大于大氣層垂直厚度）的自由空間雙向量子糾纏分發。2010年，該團隊又在國際上首次實現了基于量子糾纏分發的16公里量子態隱形傳輸。2011年底，中科院戰略性先導科技專項“量子科學實驗衛星”正式立項。2012年，潘建偉領導的中科院聯合研究團隊在青海湖實現了首個百公里的雙向量子糾纏分發和量子隱形傳態，充分驗證了利用衛星實現量子通信的可行性。隨后，該團隊經過艱苦攻關，克服種種困難，最終研制成功了“墨子號”量子科學實驗衛星。衛星于2016年8月16日在酒泉衛星發射中心發射升空，經過四個月的在軌測試，2017年1月18日正式交付開展科學實驗。星地量子糾纏分發作為衛星的三大科學實驗任務之一，是國際上首次在空間尺度上開展的量子糾纏分發實驗。

“墨子號”量子科學實驗衛星過境時，同時與青海德令哈站和云南麗江站兩個地面站建立光鏈路，量子糾纏光子對從衛星到兩個地面站的總距離平均達2000公里，跟瞄精度達到0.4 μrad。衛星上的糾纏源載荷每秒產生800萬個糾纏光子對，建立光鏈路可以以每秒1對的速度在地面超過1200公里的兩個站之間建立量子糾纏，該量子糾纏的傳輸衰減僅僅是同樣長度最低損耗地面光纖的一萬億分之一。在關閉局域性漏洞和測量選擇漏洞的條件下，獲得的實驗結果以4倍標準偏差違背了貝爾不等式，即在千公里的空間尺度上實現了嚴格滿足“愛因斯坦定域性條件”的量子力學非定域性檢驗。這一重要成果為未來開展大尺度量子網絡和量子通信實驗研究，以及開展外太空廣義相對論、量子引力等物理學基本原理的實驗檢驗奠定了可靠的技術基礎。

為此，《科學》雜志幾位審稿人稱贊該成果是“兼具潛在實際現實應用和基礎科學研究重要性的重大技術突破”（“a major technical accomplishment with potential practical applications as well as being of fundamental scientific importance”），并斷言 “絕對毫無疑問將在學術界和廣大的社會公眾中產生非常巨大影響”（“There is absolutely no doubt that this letter will have a very large impact, both within the scientific community and in the grand public”）。

除了量子糾纏分發實驗外，“墨子號”量子科學實驗衛星的其它重要科學實驗任務，包括高速星地量子密鑰分發、地星量子隱形傳態等，也在緊張順利地進行中，預計今年會有更多的科學成果陸續發布。