量子糾纏，我們能夠用它幹什麼呢？

　　來源：墨子沙龍微信公眾號

　　作者 | 彭承志（2016年演講於墨子沙龍）

　　我今天演講的題目是量子技術漫談，我們從哪開始呢？我想從100年前的一場會議開始，它就是第五屆索爾維會議，這個會議當時號稱聚集了全世界三分之一最聰明的頭腦。我們看一下，總共有29個人開會，大概有17名諾貝爾獎（獲得者），而且與會者是愛因斯坦、洛倫茲、居里夫人、普朗克等，全部都是如雷貫耳的名字。

　　這個會議討論的主題是什麼呢？

　　量子力學。

　　量子力學是我們百年來科技發展最大的支柱，毫不誇張地說，它改變了我們整個世界，從改變這個世界的深度和遠度來講，它一點都不遜色於1927年開的會，不遜色於這之前的第一次世界大戰，更不會遜色於之後的第二次世界大戰，因為直到現在它還在改變著我們的世界。

「量子力學的最大特點」

　　但是我這裡不是想講量子力學有多偉大，我今天想講的是什麼呢？因為在座的男生比較多，我們又在上海，量子力學幹了很多活，包括半導體、計算機、激光互聯網、原子核、核能。但是從量子力學誕生的第一天起，它就不像之前所講的一些理論。

　　比如說牛頓力學出來以後，牛頓老先生是馬上就被聘為英國的鑄幣局的局長，從此以後名利雙收，牛頓老先生在那之後讓全世界都認為，牛頓力學出來以後證明了上帝的存在，所以牛頓力學那個時候絕對是一統江湖，在人類的整個思想界一統江湖。

　　但是量子力學不一樣，量子力學改變了如此多，對世界產生如此深遠的（影響），但是從量子力學誕生的第一天起，它的締造者之一愛因斯坦，我們的老先生就開始在那反對（量子力學），他說量子力學至少不是全部正確的。

　　即便到現在，100年過去了，我們現在基本上科學就開始這麼說，雖然微觀世界描述的規律和我們宏觀世界很多的感覺不一樣，但我們相信量子力學是對的，但是到現在，包括我們自己，我們有一個大教授——諾·貝爾獎的獲得者，以前（我們）都是看他的書長大的，看他的書學過來的，他退休以後也開始講，也許是有一個更新的理論能夠證實，更新的理論就像相對論替代牛頓力學一樣，有一個更新、更全的理論可以替代量子力學。

　　所以你看量子力學最大的特點是什麼？它幹了很多活，一直被證明是正確的，但是一直不停地有人質疑它，到了愛因斯坦、溫伯格這種，我們是覺得這個是科學永遠的自我懷疑的一種精神。

　　但是要知道在我博士畢業的時候，我發了第一篇跟量子力學實驗有關的文章以後就開始收到信，跟我要探討量子力學的正確性，當時我一看很緊張，這要探討量子力學的正確性，馬上我就發給潘老師了，潘老師後來把我臭罵一頓，這種信你給我幹嗎？難道你讓我跟他討論一下量子力學嗎？

　　確實是這樣，量子力學從它的誕生到現在，你會發現跟我們上海男人的地位很相似，在這裡我介紹一下我們兩個上海的男人，准上海，我們算是娶到上海的男人。一個是我，我現在是量子衛星的科學應用系統總師，還有一個是剛才在台上的陳宇翱教授。

　　我覺得我們乾的活也挺多的，我們在外面也是彭總、陳總，量子衛星也成功上天了，京滬幹線在地上連的也很好，在家裡我們表現得也不錯的，老婆一說要洗菜我馬上就倒水，老婆說要拖地我就打電話叫鐘點工，雖然我們自己不會拖。

　　但是在這裡地位還是很低，我一直搞不清楚，難道這個科技宅男，我經常說我們是科技宅男，當然我們的愛因斯坦是科技宅男的先輩，前面有更多的科技宅男的前輩。為什麼我們科技宅男的宿命就跟量子力學一樣？有一天我去請教我太太，為什麼我在家裡的地位總是這麼地低？比陳宇翱還低，（因為）我家裡比陳宇翱多一個小孩，所以我在家裡的地位比陳宇翱還低，為什麼是這樣子的？

　　她就跟我講了，她說你看讓你倒個水你灑地上，讓你洗個菜你洗不幹凈，讓你拖地你只會叫鐘點工，萬一鐘點工不來這個地就拖不了了。就你這樣，你量子力學那些東西講的是很炫，衛星看上去是很厲害，但是我不懂，我不知道你具體在幹什麼，所以我就只能覺得，你這個連家務都干不好的人都能把衛星干好，那肯定是因為那些事情太容易了，當時我就明白了一點——關鍵我得給我老婆講明白，我到底在幹什麼。

　　所以很高興今天有墨子沙龍這個平台，我的報告題目叫做量子技術漫談。大家很好奇，我到底在做什麼工作，我在實驗室到底做的是什麼東西？我想來（和大家）講一講這個。我們從哪裡開始呢？讓我們從光開始，為什麼呢？因為上帝說要先有光？當然不是這樣，因為我們是在墨子沙龍，我們不討論上帝。

　　為什麼從光開始？

　　因為光這個東西太普通了，小孩子一睜開眼睛就能看到光，就對光有反應，人在地球上接受到的信息中，80%是由眼睛，也就是光傳進來的，整個地球能夠存在是由於太陽，太陽的能量是怎麼過來的？全部都是光傳送過來的。我們在這個世界上能夠看到最老的物體是什麼？不是這個地球，這個地球只有40幾億年，你要去找40幾億年的岩石，要把地打下去一個很深的洞你才能看到。抬頭看天，雖然你的肉眼可能感覺不到，但是有100多億年以前的光子會進入到你眼睛裡。

　　光是最普通的，它隨處可見，但是這種普通的東西又一定是最神奇的。為什麼這麼說呢？

光

　　我再舉一個例子，幾百萬年前，那時人類還是山頂洞人，他們走出山洞，可以看到和我們一樣的星空，那時候沒有污染、沒有霧霾，所以他們看到的星空可能更漂亮；古時候人們打仗也會看到這個星空，看到星空以後將相們很高興，今天月光很好，召集群臣，召集嬪妃大宴群臣，文人墨客呼朋喚友，如果是柳永的話，還要從青樓請兩位佳人，吟詩作對，舉杯邀明月，對影成三人。

　　我們科技宅男的先輩們在幹什麼呢？科技宅男一看到星空，就會思考思考什麼？這些星空的光是哪來的，是什麼東西讓我們看到有星空，這個星空是什麼？這個世界到底有多大，這個世界怎麼來的？很自然的，人類仰望星空，就會思考這些問題，這些星星為什麼在那裡？

　　圍繞這個問題產生了很多理論，大家都知道，最早的時候是地心說，牛頓力學出來以後地心說被推了，開始帶來靜態的無窮大的宇宙，宇宙是無限的，時間是永無止境的，星空也是無限的，這是後來的一個觀點。

　　但是實際上，光早就告訴你答案了。我們科技宅男也是土（沒想到），牛頓力學建立起來一百多年、兩百多年以後我們開始意識到一個問題，假如宇宙是無限的，假如地球存在的時間也無限長了，也就是說宇宙中星星的數量也是無限的，那我們就推出一個結論——你看不到黑暗的星空。你一走出門就已經被星星給曬死了，因為你要拿所有的星光積個分的話，你會發現地球上星光的強度是無窮大的。

　　那就是說我們科技宅男看世界的眼光是什麼？抬頭一看天是黑的，這個世界是有限的，這就是結論，事實上現在的宇宙也告訴我們，這個宇宙體積上是有限的，時間上也是有起點的。

　　我們再講一個科學看世界的例子。

　　我們看到的光很容易產生，實際上任何一個物體都會發光，蠟燭什麼的都會發光，你哪怕是拿一個黑漆漆的鐵塊，你把它加熱到一定溫度，很早很早以前人們都看到鐵匠打爐子，鐵塊就會發光。

　　所以光是怎麼來的呢？光是構成這個物質最基本的顆粒原子，一振動就會發光。這裡面就會有一個問題，原子發光的特性是什麼呢？

　　量子力學出來之前就開始做模擬計算，算出來答案是什麼呢？就是假如這個原子是發光的，按正常的理解，這個光始終是連續不斷的、一路一路發出來的，我們從來沒有看到光斷掉。如果是連續發光的話，你就會得出一個公式，就是能量越低的光發光的能量越強。也就是說，如果有一個原子，一發光就發出所有頻率的光，而且是無窮大的光，頻率越低的光能量越強，整個世界一下子就清凈了，為什麼呢？全都變成光了，這個世界只有光和剩下來的殘渣。

　　但是我們沒看見世界是這樣子的呀，普朗克就提出了一個假設，原子發光是不連續的，它是量子的，整個世界都是量子的。

　　如果這個世界不是量子的，這個世界就不存在了，我們就不會坐在這裡討論這個問題，科學看世界就是這樣子的。到了發光的原子層面，怎麼才能看到真正的量子，或者怎麼做出一個一個的光量子？量子力學預言了光量子的規律，我要把一個光子弄出來，這個時候我們說技術就開始出場了，怎麼弄？

　　技術出場：怎麼弄？

　　這裡有一個很小的模塊，很小的一個柱子，這個柱子直徑大概是千分之一毫米，大概相當於一根頭髮的1%，這裡面囚禁著一個半導體里的載流子，我們把它稱之為一個半導體的量子點。它的特點是什麼？當我們用泵浦光打上去的時候，它的功能就相當於一個原子。

　　原子太小，我們真的去抓一個原子是抓不出來的，但是我們人聰明的地方是什麼？我們可以用這樣的體系模擬出一個原子發光的過程。然後這個體系發一下，只發出一個光子，這就是單光子光源。

　　實驗室里的單光子光源和我們平常用的手機晶元是一樣的，但是它要把這個晶元降到很低很低的溫度，外面有一個大罐子，大罐子裡面這個亮點我們把它叫做量子點，每次我們就可以用這樣一個點造出一個光子來，造出一個光子以後我們就可以做實驗了。

　　比如前面潘老師講了糾纏，怎麼產生量子糾纏？假如這兒有個電梯，我們知道葫蘆娃里有水娃和火娃，但是大家不知道他們是雙胞胎，水娃和火娃如果一起進了電梯，電梯門一關，上去了，倆人衣服一換，出來了，誰是火娃、誰是水娃？

　　量子力學預言，這個時候不是說我們不知道誰是火娃、誰是水娃，這個時候你不不去問火娃的話，它自己也不知道，它既是水娃也是火娃，這是量子力學語言（和經典力學）不一樣的一點，直到最後，如果說你問它，你是火娃嗎？是，那另外一個一定是水娃。這種量子糾纏的這種現象不管分開多遠也是成立的。用量子糾纏，我們又可以做很多很多事。

　　衛星中的量子糾纏

　　那我們怎麼做量子糾纏呢？圖片中就是我們衛星裡面的一個量子糾纏源，看起來很簡單，一堆鐵疙瘩再加一個電子板，很像電路機箱，但是它有一個激光干涉儀，就像我們剛才說的電梯，可以把兩個單光子「干涉」出來，最後這個糾纏源在天上可以以每秒大概100萬個的速率，不停地產生一堆一堆的火娃跟水娃。

　　當然純粹的單光子源用來做量子密鑰太難了，我們在理論上和在實驗上又提出了新的方案，誘騙態光子源，這個機器里就合成了一個誘騙態光子源，可以用來做量子密鑰分發。

　　信息傳輸

　　好，現在做出量子糾纏了，我們能夠用它幹什麼呢？

　　量子力學經常受到很多質疑，比如量子通信不是通信，量子通信不（像我們說的那麼）安全，當然這個時候我們很難回答，為什麼呢？我說想要證明量子通信不安全的人，最簡單的方法就是發一篇理論文章，再用實驗驗證，做完以後就可以拿諾貝爾獎了，也不必在媒體上質疑了。

　　至於量子通信是不是通信，這個取決於到底傳什麼。我這裡可以介紹一種，量子密鑰分發，前面陳宇翱已經介紹了，我們的衛星裡面還做了量子隱形傳態，這個時候我們怎麼來傳輸信息呢？我們就用這種糾纏，兩個火娃、水娃之間的關聯特性，我傳輸這個信息的時候，我就已經不用這個信息的載體了，而是用糾纏把這個信息直接傳送過去。

　　單光子探測

　　這個是我們講的光源，這個光源看起來也很簡單，就是一個量子點，再做一台像電腦一樣的東西，就是我們的糾纏源，然後我們把它放到天上去，但是這樣單個的光子我們怎麼探測呢？

　　其實有很多種探測光的方式，眼睛就是最標準的對光的一個探測，而且眼睛自然的進化很厲害，在單光子探測器出現之前，眼睛是這個世界上最敏感的光探測器。我們曾經有物理學家試過，大概十個到百個左右的光子就已經足夠讓眼睛有反應。

　　我們現在看到，一個光子眼睛還是探測不到的，因為單光子能量很弱、很弱，但它是有能量的。為什麼我們傳統的探測器或者眼睛對打出來的單光子感應不到呢？單子光打到眼睛裡面的時候，實際上它也產生信號了，但是這個信號太微弱了，我們全部都淹沒在眼睛或者儀器裡面的雜訊里去了，怎麼辦？

　　我們用超導納米線做了一個特殊的眼睛，把它降到很低、很低的溫度，非常低的溫度意味著什麼？意味著原子什麼的全部都已經靜止了，一點一點的擾動就可以擾動到它。然後一個光子打進來，在納米線上轉變成的熱量，就足以讓它退出超導的狀態，我們就可以探測到這個光子。我們還有新的技術，比如說我們有半導體雪崩的這種效應，也可以做這種單光子探測器，這樣的單光子探測器我們就可以把它搬到天上，這樣我們在天上就能夠探測到地面發出的量子光了。

　　量子衛星·面對面

　　量子光的發射和接收實現後，我們就可以干很多事情，包括我們量子星裡邊的幾個基本的任務。

　　比如說量子密鑰的分發，我們可以從外太空，直接在衛星和地面之間建立密碼通道。衛星有一個好處，它可以全世界到處跑，假如不追求覆蓋效率，一顆衛星也可以覆蓋全球，可以給全球任意一個大使館都實現量子密鑰分發，產生我們還把糾纏源放到天上，我們可以把那個火娃、水娃真的從衛星上面送到千公里外的兩個接收端來檢測火娃、水娃的量子力學的非局域性，我們還可以用量子隱形傳態來做量子糾纏的傳送。

　　這個就是我們量子衛星整個的形狀，你看這是一個光學天線，這邊兩個紅布都是光學天線。我沒做量子衛星之前也覺得衛星很神秘，開始做之後發現衛星的每一根線都是人手工製作、搭建的，從自動化程度來說，還不如富士康的iPhone手機生產工廠，但是從質量、從科技含量來說，衛星（比富士康）還是高級一些的。

　　量子衛星（實驗儀器的體積）大概一個立方米，可以把我們的實驗儀器全部都裝進去。

　　光有衛星在天上還不行，還要有地面接收衛星的量子信號，實際上這個也很簡單，我們跟天文台合作，天文台那裡天氣好、有後勤、有道路，我們去做實驗的地方都是風景非常漂亮的。

　　這是北京邊上的興隆、烏魯木齊邊上的南山，這是青海的德令哈，這個大家都知道雲南的麗江，這裡是西藏的阿里，海拔很高，歡迎大家過去。

　　在這樣幾個地面站，我們用這種光學望遠鏡把這個光收下來以後，然後用前面說的單光子探測的系統進行探測，這就是我們實驗的照片，這個綠色的就是在天上發下來的信標光，紅色的就是地面發射的信標光，但是這個信標光本身並不傳輸這個量子信息，我們的量子信號會沿著這兩個游標記的信道發下來。

　　十年磨一劍

　　這個必須要講一下做科研人的感受，「墨子號」量子衛星8月16日發射上天，發射大概一周後，我去了北京興隆，因為量子衛星光的亮度設計的餘量比較高，打下來的時候強度比較大，大家可以試著去找一下。

　　在上海，別的星星你基本看不到，但是金星可以看到，金星是除了月亮和太陽之外肉眼能夠看到的最亮的天體。量子衛星的亮度打下來你會發現比金星還要亮，然後它的顏色是綠色的。

　　夏天在興隆你可以清晰地看見背景的銀河，當你肉眼看到亮點，一個比金星還亮的亮點，就那麼很安靜很安靜，它離我們太遠了，你聽不到它的聲音，非常安靜地從這個天空一路划過天際的時候，你心裡那個感覺，當時我一直在想，這個是我做的，這個感覺太爽了。

　　所以做科技宅男有的時候反射弧比較長，動手也慢一點，可能老婆叫倒個水5分鐘還不知道水在哪裡，我們做一個事情，做這顆星要做十年，但是十年以後成功的時候帶來的感覺，也確實不能簡單地用一個「爽」字來形容。

　　這就是我們量子星工作的時候，它在飛過興隆，飛過南山，飛過德令哈，它會建立起這個密鑰，建立起這個糾纏，隱形傳態實驗，它某種程度上是通過衛星和地面一起構建一個真正的天地一體化的實驗，這個實驗室是非常巨大的，覆蓋了幾千公里這樣大的範圍，我們就在這個範圍里做量子力學的實驗，它也開闢了未來空間量子科學實驗的一個方向。

　　量子操控技術

　　最後再簡單地介紹一下我們其他小組的一些工作，我們前面講的量子衛星，本質上就是把一個光量子從天上扔下來，地上能收到、能看到就行了，再不就是把一個光子從裡面扔上去天上去了，這是我們在很廣闊的空間尺度上構建的量子實驗體系，我們實驗室還有很小的尺度，它能做什麼？

　　大家看這個照片，這是一個個格子，一個格子是一微米或者是500納米，每個格子里的一個亮點是什麼？是一個原子，我們前面說了，正是因為單個原子太小了，所以我們沒辦法用單個的原子來產生單光子源，所以我們想了一種辦法，用一個半導體的柱子來產生單光子源。

　　但是我們科技宅男是不放棄的，單個的原子我們也可以試一試，我們這種技術就能夠抓住單個原子，然後把單個原子一個個地排列起來，一個個地進行操縱。

　　大家看，這是我們用單個單個的原子排出了量子力學一個著名的符號。我們做這些（大尺度、微型尺度的實驗）是為了什麼呢？我們目前可以操縱最小的顆粒，我們想要操控的更多，在更大的程度上進行操控，我們人類在自然界繁衍出來，一直想乾的事情就是超越這個自然界，毛主席說了人要勝天嘛，這個其實也就是我們從技術層面，從量子層面要做的事情。

　　未來·已來

　　其實人類不理解量子力學或者批評量子力學是不對的，是因為我們離量子力學不夠近，當我們遠遠地看量子力學的時候，我們其實就像從高樓里看低處廣場上的人。廣場上有很多人，每個人都在說話，每個人說話的內容都是有意義的，每個人唱歌的聲音也是很好聽的，但你離遠了以後你只會聽到一片的噪音，你只會看到一些茫然的人群。

　　而我們研究量子力學，前面我們做了件事情，就是把這種人群，把粒子的群，讓他用同一個聲音發音，這種就叫宏觀的量子態。

　　比如說前幾十年這種激光，包括晶體管，核能的一種基礎，就是把所有的量子都調製到一個檯面上，他們就變成合唱團了，這個時候量子的聲音和量子的規律你才能夠看到。

　　最近這幾年我們在做什麼呢？我們經常聽到一個詞，叫量子調控，就是每一個粒子演奏不同的曲目，每個粒子按不同的規律自己互相去演化，這個就是一個交響樂團，能夠比合唱團做更多的事情，我們在更遠的距離上去調控量子，我們在更多的粒子層面上去調控量子，我想這個就是量子技術一直在發展一直在做的事情。

　　最後，科技改變生活，量子創造未來，謝謝大家！

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