“量子纠缠”实验进入国际空间站

量子纠缠是在微观世界中发生的极为奇特的物理现象，阿尔伯特·爱因斯坦曾描述了量子纠缠的奇异性质，说出了“幽灵般超距作用”的著名语句。目前，物理学家在地球上距离相对短的范围内进行了奇特的量子纠缠实验，他们设想了大距离范围的精确实验，检验粒子纠缠的有效性，在一对相互纠缠的粒子中，一个粒子的行为通过某种超距作用影响了另一个粒子的行为。物理学家构想了将国际空间站用于实验平台的方案，可以在更大距离上检验粒子的纠缠态属性，国际空间站实际上是一个太空实验室，在距离地面大约250英里或400公里的上空飞行。

奥地利科学院的物理学家鲁伯特·乌尔辛解释了量子纠缠的太空实验计划，按照量子物理学的基本分析，量子纠缠独立于距离或与纠缠的作用距离无关，量子太空实验的目的是在较大的距离或超过500公里的范围检验量子纠缠的属性，在国际空间站进行的量子实验将是历史上的首次。乌尔辛和同事将量子实验的细节信息以论文形式发表在《新物理学》杂志上，该物理刊物由英国物理学研究所和德国物理学学会联合出版发行。

一种量子纠缠的实验被物理学家称为“贝尔实验”，已故的北爱尔兰物理学家约翰·贝尔在1960年代设想了检验性的实验，物理实验的目次是以现实世界为基础检验量子纠缠理论的正确与否。纠缠现象是量子力学中最为独特的性质，一旦将两个处于纠缠态的粒子分开，无论两个粒子分开的距离有多远，它们都能以某种神秘的方式实现信息的瞬时交换，爱因斯坦对德国古典哲学的因果律深信不疑，一生都难以接受量子幽灵般的超距作用。

怎样才能更好地检验量子纠缠的产生机制？乌尔辛带领的科学小组制定了一项计划，一个小型的光子探测器将被发送到国际太空站，安装在一个现有的电动尼康牌照相机的旁边，尼康牌照相机拥有400毫米的镜头，从空间站的全景式小天窗观察地面的情况。当小型的光子探测器安装到位时，实验物理学家将对地面的一对光子进行纠缠制备，然后将其中的一个光子从地面实验室送上太空实验室，在小型探测仓检测光子的特性，一个光子则留在了地面实验室，地面和太空的两个光子相互遥远，可以检验两个光子保持纠缠态的能力，也就是检验当一个光子的特性发生变化时，另一个光子的特性是否发生瞬时性的变化，大距离的空地实验能够更多地检验量子纠缠现象。

乌尔辛的实验团队还将检验重力对量子纠缠的潜在影响，纠缠实验进行得很快，他们在地面实验室完成了几个步骤的检验，每一个步骤仅用时约70秒。国际空间站的科学管理机构批准了乌尔辛小组的实验项目，科学小组将进行大约一周时间的空间实验，他们有充足的时间建立地面实验与空间实验的连接。一对纠缠的光子在远距离范围发生了瞬时的信息交换，这将会颠覆经典物理学的概念和描述，量子物理的奇异性超出了爱因斯坦的理解，他为此感到心神不安，一直怀疑量子力学解释的科学性。

科学小组设想了一项奇特而可行的相关性实验，尝试将一个“加密锁”发动到太空，在天地间的大距离范围实现量子信息传输的加密功能。在进行国际太空站的实验之前，量子加密锁或加密钥匙技术仅在地面实验室进行了光纤材料的检验，实验的距离或光纤的长度较短。量子加密技术广泛地应用于经济社会的通信工程。乌尔辛科学小组实施了“幽灵行动”的实验方案，成功的实验成果将导致科学家和工程师开发出第一个全球量子通讯网络。

目前，量子加密钥匙信息的最远发送距离仅为几百公里，只能实现一个或两个城市小范围的加密通讯，科研人员设想了光子束的发送方式，用以生成和传播加密钥匙。加密信息仅在两个主体——发送者和接收者之间进行传送和分享，如果出现了“第三方”拦截加密信息的情形，那么信息的发送者和接收者很容易发现第三方的干涉行为。全世界的量子科学团队都考虑了量子卫星发射的实验方案，量子通讯卫星是连接两个信息主体的中转站，量子卫星显著地增加了两个信息主体的通讯距离，实现了加密钥匙技术的远程应用，可以通过国际空间站实现量子卫星的信息中转功能，乌尔辛科学小组实施的量子纠缠太空实验有实际应用的科学价值。

（编译：2021-4-26）

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