2017年6月16日，《科學(xué)》雜志封面刊登出了中國(guó)“墨子號(hào)”量子衛(wèi)星的最新成果。潘建偉團(tuán)隊(duì)在500公里的高空向相距1203公里的兩個(gè)地面站發(fā)送糾纏光子對(duì)，首次實(shí)現(xiàn)了千公里級(jí)的量子糾纏分發(fā)實(shí)驗(yàn)。這項(xiàng)成果不僅刷新了世界紀(jì)錄，也進(jìn)一步驗(yàn)證了量子力學(xué)的正確性，同時(shí)為將來(lái)開展大尺度量子網(wǎng)絡(luò)和量子通信實(shí)驗(yàn)研究等打下了基礎(chǔ)。
△ 《科學(xué)》雜志封面。（圖片來(lái)源：Science）
量子糾纏是量子力學(xué)中最難令人困惑的概念，它可以簡(jiǎn)單的被描述為：兩個(gè)處于未知狀態(tài)的糾纏粒子可以保持一種特殊的關(guān)聯(lián)，一旦我們測(cè)量其中一個(gè)粒子的狀態(tài)(比如該粒子的自旋向上，或“0”)，就能夠瞬間知道另一個(gè)粒子的狀態(tài)(即自旋向下，或“1)，無(wú)論它們之間的距離有多么遠(yuǎn)。
這種瞬時(shí)感應(yīng)被愛因斯坦稱為“鬼魅般的超距作用”，也因此引發(fā)了愛因斯坦和玻爾的世紀(jì)論戰(zhàn)。過(guò)去已經(jīng)有許多的實(shí)驗(yàn)，包括這次墨子號(hào)的實(shí)驗(yàn)，都支持了玻爾的觀點(diǎn)——驗(yàn)證了量子力學(xué)的正確性。（關(guān)于這一爭(zhēng)論有興趣的讀者可閱讀《宇宙貝爾實(shí)驗(yàn)室》，文中提到了貝爾不等式、隱變量、定域?qū)嵲谡摰雀拍?。?/span>
但是，在大多數(shù)我們看到的文章中都沒有解釋這么一個(gè)問(wèn)題：“如何制造量子糾纏？” 通過(guò)下面的實(shí)驗(yàn)設(shè)置，就可以產(chǎn)生糾纏的光子對(duì)：
△ 在墨子號(hào)中，進(jìn)行光子糾纏的實(shí)驗(yàn)設(shè)置。（圖片來(lái)源：Science）
通常，大多數(shù)文章都會(huì)將這個(gè)實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)單的描述為：“一束紫外激光被發(fā)射到一種特殊的晶體。接著，該晶體會(huì)釋放一對(duì)偏振方向相反的糾纏光子?！?但是，為什么激光通過(guò)晶體就會(huì)產(chǎn)生糾纏的光子對(duì)？這是許多人困惑的。事實(shí)上，產(chǎn)生糾纏粒子對(duì)的方法有好幾種，但我接下來(lái)會(huì)簡(jiǎn)單地描述一個(gè)最常被用到，也是最容易的一種。
這個(gè)方法是通過(guò)一種叫做自發(fā)參量下轉(zhuǎn)換(SPDC)的過(guò)程來(lái)實(shí)現(xiàn)量子糾纏的。聽起來(lái)好像很復(fù)雜，但其實(shí)原理很簡(jiǎn)單。
將一個(gè)高能的光子發(fā)射到一個(gè)非線性的晶體時(shí)，該光子會(huì)被分裂成兩個(gè)只有初始能量一半的光子（能量守恒定律）。需要注意的是，這是一個(gè)非常低概率的事件，并不是每個(gè)光子通過(guò)晶體都會(huì)被分裂，有許多的光子會(huì)毫不受影響的通過(guò)晶體。但是一束激光包含了數(shù)萬(wàn)億個(gè)光子，因此也能產(chǎn)生可觀數(shù)量的光子對(duì)。
這個(gè)過(guò)程存在著一點(diǎn)隨機(jī)性，比如被分裂的兩個(gè)光子朝著相同的方向傳播，這并不是我們想要的：
（圖片來(lái)源：whentheappledrops）
但是根據(jù)動(dòng)量守恒，我們可以預(yù)測(cè)發(fā)射出來(lái)的光子對(duì)會(huì)朝相反的方向傳播，因此我們就可以正確的置放鏡片的位置。像這種情況：
（圖片來(lái)源：whentheappledrops）
這樣的兩個(gè)光子就算“糾纏”了么？當(dāng)然沒有，我們還需要知道一個(gè)很重要的性質(zhì)，即偏振。光子朝著不同方向進(jìn)行振動(dòng)，就會(huì)有不同類型的偏振，比如水平偏振、垂直偏振或圓偏振。
如果晶體的光學(xué)軸是垂直的，那么發(fā)射垂直偏振的光子后，晶體就會(huì)將它們分裂成兩個(gè)水平偏振的光子：
（圖片來(lái)源：George Musser）
如果晶體的光學(xué)軸是水平的，并發(fā)射水平偏振的光子，晶體就會(huì)將它們分裂成兩個(gè)垂直偏振的光子：
（圖片來(lái)源：George Musser）
但是，如果你想得到糾纏的光子，還需要一個(gè)額外的條件：偏振必須是不確定的。換句話說(shuō)，我們無(wú)法確定被分離的光子究竟是水平偏振還是垂直偏振。
為了達(dá)到這個(gè)目的，我們需要將兩種不同類型的晶體粘在一起。接著發(fā)射一束對(duì)角的偏振光，即水平和垂直偏振光的混合態(tài)。如此，我們就無(wú)法確定究竟是哪種晶體將它們分裂，發(fā)射出來(lái)的光子就同時(shí)處于水平偏振和垂直偏振的疊加態(tài)：
（圖片來(lái)源：George Musser）
這樣，我們就制造了一對(duì)糾纏的光子。接著，就可以將光子對(duì)分別發(fā)射到相距1203公里遠(yuǎn)的兩個(gè)地面站。如果其中一個(gè)地面站測(cè)量了其中一個(gè)光子，并確定了它的狀態(tài)（水平偏振或垂直偏振），就立即能夠知道在另一個(gè)地面站測(cè)量到的光子的狀態(tài)。
基本上，如果你看到某個(gè)關(guān)于量子糾纏的實(shí)驗(yàn)，至少有75%都是用自發(fā)參量下轉(zhuǎn)換的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)量子糾纏。但是這個(gè)方法有一個(gè)缺點(diǎn)是，每當(dāng)在實(shí)驗(yàn)中制造出糾纏的光子對(duì)后，它們會(huì)被分別發(fā)送到相距很遠(yuǎn)的兩個(gè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量。但是在光纖和大氣中傳輸中的糾纏的光子會(huì)很快的衰減，難以長(zhǎng)時(shí)間的維持，因此在地面上進(jìn)行這個(gè)實(shí)驗(yàn)的距離是非常有限的。
而在墨子號(hào)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的優(yōu)勢(shì)在于外太空的真空環(huán)境對(duì)光的傳輸會(huì)造成較少的干擾，因此可以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離量子糾纏分發(fā)。在這一方面，中國(guó)已經(jīng)遙遙領(lǐng)先。
關(guān)于這次的實(shí)驗(yàn)可以觀看《科學(xué)》制作的視頻介紹：
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