量子糾纏是在微觀世界中發(fā)生的極為奇特的物理現(xiàn)象，阿爾伯特·愛因斯坦曾描述了量子糾纏的奇異性質(zhì)，說出了“幽靈般超距作用”的著名語句。目前，物理學(xué)家在地球上距離相對短的范圍內(nèi)進(jìn)行了奇特的量子糾纏實驗，他們設(shè)想了大距離范圍的精確實驗，檢驗粒子糾纏的有效性，在一對相互糾纏的粒子中，一個粒子的行為通過某種超距作用影響了另一個粒子的行為。物理學(xué)家構(gòu)想了將國際空間站用于實驗平臺的方案，可以在更大距離上檢驗粒子的糾纏態(tài)屬性，國際空間站實際上是一個太空實驗室，在距離地面大約250英里或400公里的上空飛行。

奧地利科學(xué)院的物理學(xué)家魯伯特·烏爾辛解釋了量子糾纏的太空實驗計劃，按照量子物理學(xué)的基本分析，量子糾纏獨立于距離或與糾纏的作用距離無關(guān)，量子太空實驗的目的是在較大的距離或超過500公里的范圍檢驗量子糾纏的屬性，在國際空間站進(jìn)行的量子實驗將是歷史上的首次。烏爾辛和同事將量子實驗的細(xì)節(jié)信息以論文形式發(fā)表在《新物理學(xué)》雜志上，該物理刊物由英國物理學(xué)研究所和德國物理學(xué)學(xué)會聯(lián)合出版發(fā)行。

一種量子糾纏的實驗被物理學(xué)家稱為“貝爾實驗”，已故的北愛爾蘭物理學(xué)家約翰·貝爾在1960年代設(shè)想了檢驗性的實驗，物理實驗的目次是以現(xiàn)實世界為基礎(chǔ)檢驗量子糾纏理論的正確與否。糾纏現(xiàn)象是量子力學(xué)中最為獨特的性質(zhì)，一旦將兩個處于糾纏態(tài)的粒子分開，無論兩個粒子分開的距離有多遠(yuǎn)，它們都能以某種神秘的方式實現(xiàn)信息的瞬時交換，愛因斯坦對德國古典哲學(xué)的因果律深信不疑，一生都難以接受量子幽靈般的超距作用。

怎樣才能更好地檢驗量子糾纏的產(chǎn)生機制？烏爾辛帶領(lǐng)的科學(xué)小組制定了一項計劃，一個小型的光子探測器將被發(fā)送到國際太空站，安裝在一個現(xiàn)有的電動尼康牌照相機的旁邊，尼康牌照相機擁有400毫米的鏡頭，從空間站的全景式小天窗觀察地面的情況。當(dāng)小型的光子探測器安裝到位時，實驗物理學(xué)家將對地面的一對光子進(jìn)行糾纏制備，然后將其中的一個光子從地面實驗室送上太空實驗室，在小型探測倉檢測光子的特性，一個光子則留在了地面實驗室，地面和太空的兩個光子相互遙遠(yuǎn)，可以檢驗兩個光子保持糾纏態(tài)的能力，也就是檢驗當(dāng)一個光子的特性發(fā)生變化時，另一個光子的特性是否發(fā)生瞬時性的變化，大距離的空地實驗?zāi)軌蚋嗟貦z驗量子糾纏現(xiàn)象。

烏爾辛的實驗團(tuán)隊還將檢驗重力對量子糾纏的潛在影響，糾纏實驗進(jìn)行得很快，他們在地面實驗室完成了幾個步驟的檢驗，每一個步驟僅用時約70秒。國際空間站的科學(xué)管理機構(gòu)批準(zhǔn)了烏爾辛小組的實驗項目，科學(xué)小組將進(jìn)行大約一周時間的空間實驗，他們有充足的時間建立地面實驗與空間實驗的連接。一對糾纏的光子在遠(yuǎn)距離范圍發(fā)生了瞬時的信息交換，這將會顛覆經(jīng)典物理學(xué)的概念和描述，量子物理的奇異性超出了愛因斯坦的理解，他為此感到心神不安，一直懷疑量子力學(xué)解釋的科學(xué)性。

科學(xué)小組設(shè)想了一項奇特而可行的相關(guān)性實驗，嘗試將一個“加密鎖”發(fā)動到太空，在天地間的大距離范圍實現(xiàn)量子信息傳輸?shù)募用芄δ堋Ｔ谶M(jìn)行國際太空站的實驗之前，量子加密鎖或加密鑰匙技術(shù)僅在地面實驗室進(jìn)行了光纖材料的檢驗，實驗的距離或光纖的長度較短。量子加密技術(shù)廣泛地應(yīng)用于經(jīng)濟社會的通信工程。烏爾辛科學(xué)小組實施了“幽靈行動”的實驗方案，成功的實驗成果將導(dǎo)致科學(xué)家和工程師開發(fā)出第一個全球量子通訊網(wǎng)絡(luò)。

目前，量子加密鑰匙信息的最遠(yuǎn)發(fā)送距離僅為幾百公里，只能實現(xiàn)一個或兩個城市小范圍的加密通訊，科研人員設(shè)想了光子束的發(fā)送方式，用以生成和傳播加密鑰匙。加密信息僅在兩個主體——發(fā)送者和接收者之間進(jìn)行傳送和分享，如果出現(xiàn)了“第三方”攔截加密信息的情形，那么信息的發(fā)送者和接收者很容易發(fā)現(xiàn)第三方的干涉行為。全世界的量子科學(xué)團(tuán)隊都考慮了量子衛(wèi)星發(fā)射的實驗方案，量子通訊衛(wèi)星是連接兩個信息主體的中轉(zhuǎn)站，量子衛(wèi)星顯著地增加了兩個信息主體的通訊距離，實現(xiàn)了加密鑰匙技術(shù)的遠(yuǎn)程應(yīng)用，可以通過國際空間站實現(xiàn)量子衛(wèi)星的信息中轉(zhuǎn)功能，烏爾辛科學(xué)小組實施的量子糾纏太空實驗有實際應(yīng)用的科學(xué)價值。

（編譯：2021-4-26）

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