爱因斯坦错没错 中国卫星来验证 我国本月发射世界首颗量子卫星“墨子号”
[摘要]我国本月发射世界首颗量子卫星“墨子号”
记者15日从中科院获悉，我国即将发射的全球首颗量子科学实验卫星被命名为“墨子号”。
“关于这颗卫星的命名，我们考虑了好久。”量子科学实验卫星首席科学家潘建伟院士说，最终命名为墨子，缘起于已故著名教育家、中国科学技术大学老教授钱临照。
据了解，钱临照作为老一辈光学、科技史研究者，早年对墨家经典著作《墨经》有过深入研究，发现其中有不少与现代科学知识相通的记载，比如墨子在《墨经》中提出的“光学八条”。
“墨家逻辑是全球三大古老逻辑体系之一，而逻辑体系是科学的基础。”潘建伟说，墨子在两千多年前就发现了光线沿直线传播，并设计了小孔成像实验，奠定了光通信、量子通信的基础。
“就像国外有伽利略卫星、开普勒望远镜一样，以中国古代伟大科学先贤的名字来命名全球首颗量子卫星，将提升我国的文化自信。”他说。
据了解，作为中科院空间科学战略性先导专项首批科学卫星之一，量子科学实验卫星将在国际首次开展星地高速量子密钥分发、空间尺度的量子隐形传态等多项实验。目前量子卫星发射前的准备工作已基本完成。
记者从中国科学院了解到，世界首颗量子科学实验卫星将于本月中下旬择机在酒泉卫星发射中心发射升空。目前，这颗卫星发射前准备工作已经基本完成。量子科学实验卫星系统总师朱振才表示，卫星各项指标都达到了设计要求，工作状态正常，产品状态非常好。
从量子科学实验卫星7月初运抵酒泉卫星发射中心后，相关部门对卫星开展了为期20余天的技术区测试与检查工作，包括卫星的光学性能、电性能以及安装精度的检查，为卫星供电的太阳能阵帆板也已经安装完毕。
记者了解到，作为世界首颗量子科学实验卫星，其科技含量及精密程度都达到了该研究领域前所未有的高度。因此，卫星载荷的安全性极其重要，在卫星发射当天，系统工作人员还将对其进行最后的检测和状态设置的确认。
执行量子科学实验卫星发射任务的零号指挥员冯丑明介绍，除了这次卫星发射任务，下半年发射场还要执行天宫二号、神舟十一号飞行任务，发射任务非常集中，人员和地面设施的压力都较大。为保证量子科学实验卫星发射任务顺利完成，发射场已经做足了充分准备。
量子通信是什么？
量子世界中存在一种类似“心电感应”的现象，即量子纠缠。就好比有些双胞胎，虽然哥哥在北京，弟弟在上海，当哥哥特别高兴时，弟弟也会特别高兴；而哥哥特别痛苦的时候，弟弟也会特别痛苦。
量子纠缠是指在微观世界里，有共同来源的两个微观粒子之间存在着纠缠关系，不管它们相距多远，只要一个粒子状态发生变化，另一个粒子状态也会发生相应变化，即两个或两个以上的稳定粒子间会有强的量子关联，但为什么会这样？科学家们直到今天还没搞清楚。
实验已证明，具有纠缠态的两个光量子无论相距多远，只要一个发生变化，另外一个也会瞬间发生变化。量子保密通信就是利用这个特性实现的，即基于量子纠缠态的理论，通过量子密钥传输和量子隐形传态的方式实现信息传递。
其过程如下：事先构建一对具有纠缠态的光量子，将这对光量子分别放在通信双方，把具有未知量子态的光量子与发送方的光量子进行联合测量，则接收方的光量子瞬间变化为某种状态，这个状态与发送方的光量子变化后的状态是对称的，然后把联合测量的信息通过经典信道传送给接收方，接收方根据接收到的信息对变化的光量子进行幺正变换（相当于逆转变换），就可得到与发送方完全相同的未知量子态。
量子通信的关键要素是量子密钥，用具有量子态的物质作为密码。在传递信息的过程中，量子密钥一旦被截获，其自身状态会立刻发生改变，截获量子密钥的人只能得到无效信息，而信息的合法接收者也能立刻察觉，直到一把新的密钥安全无误地被接收。
量子卫星能做什么？
我国量子科学实验卫星质量约640千克，由长征-2D运载火箭发射，运行于500千米太阳同步轨道，轨道倾角为97.37°，设计在轨运行寿命2年。科学家已在相距300千米的地面成功进行了量子纠缠实验，而量子科学实验卫星将把这个实验带到外层空间，连接中国和欧洲之间的量子通信网，旨在建立卫星与地面远距离量子科学实验平台，在国际上首次在空间大尺度下实现星地自由空间量子密钥生成和分发，以及量子隐形传态实验等。
该卫星的核心是一个能够产生成对纠缠态光量子的晶体，无论它们分开多远，其性质仍然能纠缠在一起。其第一个任务是发送这些成对量子中的一方去往在北京和维也纳的地面站，并使用它们来生成密钥；第二个任务是证明这个纠缠可以存在于相隔上千米的粒子之间，因为量子理论预测纠缠一直存在于任何距离；第三个任务是尝试地面与卫星之间量子隐形传态，使用通过传统方式传输来的纠缠光量子对及其所携带的信息，在一个新位置重建光子的量子状态。
爱因斯坦错没错，中国卫星来验证
爱因斯坦在许多人心中已成科学真理的代名词，但了解科学史的人都知道，爱因斯坦代表的经典物理学派与玻尔等人代表的量子学派之间的论战已近百年，许多问题还没有最后答案。而中国即将发射的量子科学实验卫星，将有可能帮助解决关于量子纠缠的问题。
“鬼魅般的超距作用”，这是爱因斯坦在1935年对量子纠缠的评论。量子力学认为，两个处于量子纠缠态的粒子无论相隔多远，改变其中一个粒子的状态，另一个粒子的状态就会马上随之改变。这种状态之间的关联不需经典物理学中的力场或电场，其关联速度也可认为超过光速，这被称为“量子非定域性”。爱因斯坦作为经典物理学的代表人物，对此表示怀疑，觉得这要能成立简直是“见鬼了”。
百余年来，量子力学的许多理论不断得到实验结果支持，催生了原子弹、激光、核磁共振、全球卫星定位系统等重大发明，改变了整个世界，被认为是“第一次量子革命”。而对爱因斯坦提出的质疑开展的持续研究，助推了量子调控技术的发展，催生了以量子通信和量子计算为代表的量子信息技术，被认为是开启了“第二次量子革命”。
但对于量子纠缠这个具体问题，目前的实验结果还不能最终定论。中国科学院量子信息与量子科技前沿卓越创新中心的陆朝阳教授告诉记者，虽然已有许多实验支持量子非定域性正确，但都还存在一些理论上的漏洞，“到目前为止，还没有实现自由意志的量子非定域检验，也就是说，没有一个实验是百分之百地完全关闭所有的漏洞”。
中国即将发射全球首颗量子科学实验卫星，从而提供一个在太空进行实验的平台，将有望通过超远距离的量子纠缠实验，来实现对量子非定域性的检验。量子卫星项目的首席科学家是潘建伟院士，陆朝阳是潘建伟团队的主要成员之一。他说，团队计划做相关实验，“希望通过卫星的帮助更好地回答爱因斯坦的世纪之问”。
不过陆朝阳也表示，并不是卫星发射之后就能马上实现对量子非定域性的“终极检验”，“要实现自由意志的量子非定域检验，需要将量子纠缠的分发距离达到几十万公里的量级，比如在月球上也要有个量子的观测站，来实现地月之间的量子纠缠分发”。要达到这一目标，还有很长的路要走，“量子科学实验卫星所发展起来的技术，为这一终极目标迈出了关键一步”。
空间尺度的量子非定域性检验只是中国量子卫星可能带来重要科学成果的一个方面。由于此前全世界关于量子力学的实验都是在地面上进行，在重力等条件发生很大变化的太空，同样的量子力学实验结果会不会有变化，是科学界非常关心的问题。“物理学家当然希望有变化了，” 陆朝阳说，“如果真的发生变化，那就打开了新的物理学的大门。”
看来，中国这颗量子卫星，不仅可能帮助判断爱因斯坦对量子纠缠的看法是否正确，还有可能为整个科学的发展做出巨大贡献。
（据新华社）
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