「墨子號」量子衛星是怎麼在天上做量子實驗的？
來源： SELF格致論道講壇
作者：王建宇 中科院院士、中科院上海分院院長，上海技術物理研究所研究員
「捕捉「墨子號」衛星上發出的光子難度有多大呢？舉一個例子，相當於我坐在飛機上，拿著硬幣一個個往下扔，要扔到地面的一個儲蓄罐里，儲蓄罐有很細的投幣口，硬幣還得投進去才行——我們做到了。」
光既是粒子又是波
我們生活的世界五彩繽紛，全部是靠光的作用。
人類很早就開始研究光。17世紀的時候，牛頓就專門研究過光。他認為，光是一顆一顆的，即光的「微粒說」。在他的研究下，現在很多光的現象在那時候已經能解釋了，比如光通過一個稜鏡會分出五彩繽紛的顏色。
光通過稜鏡會分出五彩繽紛的顏色
但是這個理論解釋不了光的衍射、干涉等現象。而惠更斯在1690年出版的《光論》一書中正式提出了光的波動說，建立了著名的惠更斯原理。後來物理學家麥克斯韋提出了一個麥克斯韋方程組，指出光是電磁波的一部分，支持了光的「波動說」。
究竟光是粒子還是波？兩個學說的支持者為此爭論了幾百年。光到底是什麼？直到愛因斯坦做完了一個非常有名的光電效應實驗，這個問題才有了答案。
大家知道愛因斯坦的相對論，但對他的光電效應實驗可能不太清楚。實際上，愛因斯坦獲得第一個諾貝爾獎不是因為相對論，而是因為光電效應實驗。
愛因斯坦提出，光既是粒子又是波。這個想法非常創新，它奠定了我們今天量子力學的基礎。
愛因斯坦認為，光是一份一份的，分到最後它不能分成半個光子。此外，光是有能量的，能量等於頻率乘以普朗克常量，即E=hv，根據相對論原理推導，光是有質量的。
大家可能會說，我們沒感覺到光有質量啊？光只有在運動中才有質量，它有運動質量，沒有靜態質量。也就是說，光永遠是在運動的。
這個理論奠定了我們現在光學的基礎，此後我們對光子才有了比較全面的了解。
隨著科技的發展，現在我們已經可以探測單個光子了。光子用眼睛是根本看不到的，但是用現在的科學儀器，比如光子探測器，就有可能探測到一個個從不同地方來的光子。
光子的應用很多。比如，空間遙感拍攝地球。我們經常在天氣預報中聽到雲圖的概念，雲圖是什麼？就是太陽光照在地球大氣層上的雲層上，雲層把太陽光再反射到衛星儀器上或者衛星的照相機上，衛星照相機根據反射進去的光拍攝的地球表面雲的分布圖就是雲圖。
如果照相機的靈敏度足夠高，我們有可能看到一個一個光子，也就有可能得到最靈敏的圖像。
在生命科學研究中，光子有非常大的作用。很多生命現象可能在某個時刻發出非常微弱的光子。有了光子探測器，我們就可以探測一些生命科學裡面非常微弱的信息。
今天我要和大家說的不是上述應用，而是另外兩件事，一個是光子怎麼在空間量子通信里得到應用，另一個是光子今後在深空探測里還有什麼應用，也就是所謂的光子通信。
空間量子通信
2016年8月16日，我國發射了第一顆量子科學實驗衛星，這是全世界第一次把量子科學實驗搬到太空上去。
2017年1月18日，我們的科學工程團隊把整顆衛星交給科學家，然後科學家又經過一段時間的實驗，終於得到了學術成果。
2017年6月，我們的工程團隊向全世界宣布，我們已經圓滿地完成了所有的科學實驗，量子衛星完成任務了。
世界首顆量子科學實驗衛星：墨子號
但是完成任務並不是說這顆衛星就不用了。科學家現在還在天天做實驗，不但自己做實驗，還和全世界的科學家一起來做實驗。
那麼大家可能就要問了，量子科學實驗衛星到底是幹什麼的？
它要完成三個實驗任務，第一個實驗叫量子密鑰分發。
量子密鑰是根據量子力學的原理，提供一種不可破譯的密鑰。它在物理原理上是如何保障的呢？第一個原理就是光子的不可分割性。愛因斯坦說光子是一份一份的，你不可能拿到半個光子。
甲乙兩方送密鑰的時候，甲送出10000個密鑰給乙，乙假設收到了1000個，這時候還有一個丙專門要偷密鑰，他可能水平也挺高，偷了2000個、3000個甚至更多，但是光子是一份一份的，所以乙拿到的光子，丙再有本事也是拿不到的。如果在乙和甲共有的光子裡面產生密鑰，丙偷得再多也沒用。
所以這是第一個原理，就是光子的不可分割性，被竊取的光子不產生密鑰。
假設丙的物理水平很高，他可以把光子偷去拷貝，之後再給乙，是不是這樣丙就有密鑰了？
量子力學裡面還有一個非常著名的原理，叫量子不可克隆原理。在量子力學裡，一堆量子如果用傳統的辦法去拷貝，拷貝完了以後給第二個人，對不起，你不可能全拷貝對，大概有1/4一定會拷貝錯。
有一個電視節目叫《拷貝不走樣》，拷貝量子就不行，你從第一個拷貝到最後，一定會面目全非。
所以有了這個原理，丙偷了光子拷貝之後再傳出也沒用，甲乙兩人只要對一下裡面錯的碼，超過多少就不用了。所以第二個原理就是被拷貝的或者被克隆的光子不產生密鑰。
只要上述這兩條做到了，產生的密鑰在傳輸過程中一定是安全的。
這件事我們在地面已經做了很多了，但是在地面上要把量子密鑰傳得很遠是有困難的。如果我們要建立一個全球的量子網，衛星是一個最有效的辦法。
第二個實驗非常神奇，就是所謂的糾纏原理。
前面說量子不去測量，它是不確定的，測量以後才確定。但是糾纏現象又告訴我們，兩個量子之間在一些特殊情況下，它們之間相互有感應，或者說它們是有一定關係的。
當測量一個是0或者是1的話，另外一個一定立馬就確定下來。這個事情有非常大的爭論，愛因斯坦對這點也是有疑義的。
量子糾纏分發
在地面上，我們已經證明了這種現象是存在的，但是到1000公里甚至1萬公里以後，這種現象還存在不存在？所以這顆衛星的第二個實驗就是要驗證在上千公里的地方，這種現象是否依然存在。
第三個實驗叫量子隱形傳態。
前面說了量子不可克隆，不可克隆的結果是什麼？這個系統就是孤立的，和外界沒法交流。自然界是非常奇妙的，它肯定有量子交換的方法。
科學家在20世紀末發現量子糾纏是存在的，它的量子信息就可以通過糾纏的方法傳遞出去。所以我們第三個實驗就是要驗證地面到衛星相距上千公里這種信息的傳遞是不是可行的。
量子隱形傳態
具體的物理原理，可能我講得不是最嚴謹的，但我們的工作是要把潘建偉院士的想法搬到天上去，我們把天空和大地——幾千萬平方公里變成一個大實驗室，來做他的實驗。
當時我們列了六七件最難的事兒，我給大家說其中兩件比較難的事。
第一件，我們要把天上的一個個光子要打到地面來，或者地面一個個光子要打到天上去，我們要進行捕獲跟蹤。
大家知道衛星是繞著地球轉的，它每秒鐘飛行的速度大概是7公里多。也就是說，在一個距離地面1000公里的、速度為每秒7公里多的、飛快掠過的衛星向地面站發出光子，然後，當它出了地平線以後，我們在地面上馬上要把衛星捕獲，捕獲以後還要衛星和地面站的光軸對準才能開始做實驗。
這個在國際上有先例嗎？有。比如現在很多激光通信衛星就有類似的功能，但是量子衛星要實現這個功能難度更大。
難在什麼地方呢？激光通信試驗都是強光試驗，光越強越好，信號來了馬上能解出來，而我們要捕獲的是非常微弱的光子。
此外，為了要做第二個實驗，就是量子糾纏實驗，我們要在衛星上面產生一個糾纏光量子對，要把它發到兩個相隔1000多公里的地面站。我們要一對二，這個也是全世界沒做過的。
這個難度有多大呢？舉一個例子，相當於我坐在飛機上，拿著硬幣一個個往下扔，要扔到地面的一個儲蓄罐里，儲蓄罐有很細的投幣口，硬幣還得投進去才行——我們做到了。
從飛機上扔硬幣示意圖
第二件，這麼小的光子到底靈敏度要多高才能捕捉到？我們進行了計算，地面一台望遠鏡要檢測到天上來的一個光子，靈敏度要多高呢？相當於一個人在月球上面劃一根火柴，它燃燒起來，地面這台望遠鏡要能看到，這樣我們才能抓住一個個光子。
單光子接收探測
我們可以在全球建立一個衛星網路，然後把密鑰從一個地方發到另一個地方。我們當時做的時候，在地面設計了5個地面站，其中4個是做接收的，一個在新疆，一個在青海德令哈，一個在雲南麗江，另一個在北京。
光學地面站分布
為什麼要這麼多的地面站？這是為了增加實驗的時間，因為我們要做第二個實驗，衛星必須飛過兩個地面站之間，我們才能做實驗，能做實驗的時間是非常短的。
做科學實驗要創新，要發現未知的東西，但是做工程要確保成功。所以，我們當時設了新疆和德令哈，這一對是可以做實驗的；德令哈和麗江這一對也是可以做實驗的。這樣我們的保險係數就提高了一倍。
同時我們又在北京設一個地面站，為什麼呢？我們要做地面的密碼傳遞、保密通信實驗，北京是我們的首都，自然而然指令要從這邊發出來，所以北京專門設了一個站。
我們還有第三個實驗，隱形傳態，是從地面把信息發到天上去，我們找了一個非常高的地方。
因為是第一次做，我們對很多科學現象不清楚，肯定要找一個比較有利的地方。大氣對光有很大的影響，所以我們就到海拔5000多米的阿里的一個高山上設了一個發射網點。這樣我們就做成了實驗。
2017年初，我們基本上做完了實驗。我們的三個實驗變成了三篇論文。一篇以封面文章發表在《科學》雜誌上，題為《基於衛星的糾纏分發距離超過1200公里》，確確實實驗證了在1000多公里的距離，量子糾纏現象是存在的，當然現在又有人提出來你們能不能更遠。
另外兩篇關於密鑰分發和隱形傳態的文章發表在2017年8月的《自然》雜誌里。當時這三篇文章的發表在國際上還引起了轟動。
三篇論文分別發表在《科學》和《自然》雜誌上
《科學》雜誌每年都要評選一篇最佳論文，我們非常榮幸，這篇《基於衛星的糾纏分發距離超過1200公里》的論文獲得了2018年克利夫蘭獎。
2017年9月，我們實現了國際上第一次洲際的量子密鑰通信，奧地利科學院院長和中科院白春禮院長用量子保密的視頻電話進行了通話。這個事件被評為2018年美國物理學會的十大科技進展之一。
2017年9月，中國與奧地利實現洲際之間的量子保密通信
大家可能會問，做這個工作的是不是都是上了年紀的科學家？我介紹一下我們的團隊，我大概年齡是最大的，我們一級的總（工程）師有60後、70後和80後。但是我們第二層次的主任設計師，也就是具體負責項目的幾乎全部是80後。
我還記得一件事，曾經有個美國來訪者就問我是美國哪個大學畢業的？我們的團隊成員是不是都是從美國回來的？我告訴他，我們這個團隊，除了首席科學家是從歐洲留學回來的，其他人都是在國內培養的本土科學家。
然後，我和領事館的人見面聊了聊，臨走的時候，有個人就問我是美國哪個大學畢業的？我們的團隊成員是不是都是從美國回來的？我告訴他，我們這個團隊，除了首席科學家是從歐洲留學回來的，其他人都是在國內上的大學。
任何的科學實驗都是要應用的，凡是通信衛星都是要時時刻刻能用。現在我們做了一個低軌的太陽同步軌道衛星。從事衛星工作的同志知道，它一天能過境兩次，白天一次，晚上一次。但是因為光太弱了，我們只能晚上做實驗，白天做不了。
所以我們要解決兩個問題：一是我們要白天晚上都能做實驗，二是要隨時隨地都能做實驗，只有這樣我們才能更好的應用。
為此我們要設計一個高軌衛星，我們要把衛星送到36000公里的高度上去。說起來好像很簡單，但從科學技術上來說，難度就更大了。
我簡單舉一個例子，剛剛說的最難的是從高空扔硬幣到儲蓄罐里。從科學角度來說，我們現在大概是1~2個微弧度的精度，如果要到36000公里的高度，這個指標差不多還要提高一個數量級。
這次的難度就不是扔硬幣了，可能要扔紐扣，甚至比紐扣還小，越來越小，所以大家可以想像這個難度之大，但是我們在國家的支持下已經在準備了。
空間光子通信
以上是量子衛星的情況。光子還有什麼用呢？再下一步，我們要邁向深空。
大家知道現在深空探測發展很快，前兩天大家都在討論一個熱點事件，我們的嫦娥4號在月球背面登陸，人類第一次在月球背面降落了。
在月球背面降落以後，它會遇到什麼困難呢？因為月球背面永遠不會對著地球，它必須通過一個「中轉人」才能把信號發回來，所以上面就有一個中轉衛星。
我可以向大家透露，在2020年或者最晚到2021年，我們要探測火星。
從地球到月球是38萬公里，到火星是多少呢？將近6000萬公里。我們的團隊也參加了這項工作，我們設計了一個儀器，光譜解析度和空間解析度都很高。
然後，科學家告訴我，這個儀器解析度高是很好，但是信息傳不回來，因為距離太遠了，每次只能傳回一點點信息。所以現在最流行的就是激光通信，用激光的辦法把信息傳回來。
所以，到了這麼遠的距離以後，我們面臨很多困難，因為能量和距離的平方成反比，所以我能傳的信息量就很小了。
舉一個例子，地球和月球之間進行通信，目前我們大概每秒鐘只能傳幾十K的數據。假設發一個指令，要求拍張照片馬上傳回來，這不是立馬就能傳回來的，一方面光速有時差，大概到月球要1秒鐘多，另一方面圖像要編碼以後才能慢悠慢悠地傳回來。
深空光子通信預期目標
如果進行科學探測，這樣是不行的。所以我們現在提出一個指標，比如說每秒鐘要傳1G的數據，如果用傳統的辦法，天上要做一個一米口徑的望遠鏡，地下要做一個三十幾米口徑的望遠鏡才能達到這個指標。
假如把信息全部調製到光子里，用光子的方法能不能實現呢？我們預測天上只要一個20厘米口徑的望遠鏡，地下只要一個一米口徑的望遠鏡就能實現這個目標。這是我們光子的未來。
做深空探測，探測器很重要。我們現在要探測一個個光子，在「墨子號」上用一般半導體單光子探測器就夠了，但是要做深空探測中的光子通信可能就就不夠了。
現在科學家研製出了超導納米線探測器，光聽這個名字就覺得很神奇了。大家知道超導材料溫度變化以後，導電的變化非常大，所以將一些材料做成很細很細的納米線，去測量它的電阻，之後讓它工作在超導區，再將一個光子打在上面，一個光子的能量就會使探測器發熱，就會跑到非超導區，這樣就能產生一個脈衝。
高效單光子探測技術
現在，我們的科學家已經能做出國際上最好的超導探測器，單光子探測技術也將成為未來深空探測的非常重要的技術。
經歷了這些年的工作，我有一些體會。第一，原創的科學思想是靈魂。哪怕有再高級的工程師，再大的工程隊伍，有沒有非常優秀的科學家，做出來的東西的層次、水平是不一樣的。
第二，管理體制、決策層對科技的支持對科技發展非常重要。量子衛星有很多風險，但是我們國家的領導下定決心讓科學家去闖、去試才有了今天的成績。在國外，比如歐洲，他們很早也想做，但是由於種種原因沒有做成。
第三，做這樣一件事情是高技術的結合，不是一兩個科學家能做成的，需要大團隊作戰。我們當時做這件事，動員了科學院十幾個研究所，把最優秀的、最強的力量結合起來才做成的。
最後一點，科學團隊和工程團隊必須要互補。科學家有很多好的想法，他要通過工程師來實現。我有時也很自豪地說，作為工程團隊，我們實現了科學家的夢想。
謝謝大家！
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