8月17日，在2017年暑期院士專家系列科普講壇上,中科院技術物理研究所研究員王建宇主講了去年大熱的量子衛星相關的科普知識。王建宇是墨子號量子衛星工程常務副總設計師，衛星總指揮，長期從事空間光電系統，信息獲取與處理技術的研究，主持了多項國家重大項目。本次講壇由上海市新聞出版社，上海市科學技術協會主辦，上海市科普作家協會，上海科協大講壇管理辦公室和新華網科普中國科技前沿大師談承辦。

二十世紀物理學發展最快，有兩個非常大的發現，普朗克提出量子論，愛因斯坦提出相對論。但愛因斯坦對量子力學也有非常大的貢獻，他首先通過光電效應的實驗證明了光是一份一份的，愛因斯坦因此獲得1921年的諾貝爾物理學獎，他的第一個諾獎并不是靠相對論獲得的。

量子信息學是一門利用微觀粒子的量子力學原理來解決經典信息學和經典計算機所不能解決的問題。關鍵詞是量子通信和量子計算，說實話我覺得量子計算比量子通信更難，如果真突破的話，比量子通信影響更大，可以改變現在計算機的概念。

量子力學有幾個和我們常規的想法不一樣的地方，第一是波粒二象性，一般粒子比較好想，一顆小石子也是粒子，一扔就扔出去了，從物理學上講它可以有質量、速度、動量和能量，這些都是粒子特性。

第二是波，可能大家說得比較多的是電磁波，手機為什么能通信？是把我們講的話調制到高頻電磁波里并發射出去，那邊把電磁波收下來，再把語音解調出來就能聽到聲音了，波有波長，頻率和相位，一般來說頻率越高的波，能夠加載的信息量就越大。

半導體收音機，它用無線電波，以前有中波，短波，一般的中波信號不是特別好，后來發明了調頻收音機，要比一般中波頻率高，頻率高加載的信息就多，所以音樂的保真度就好。后來看電視，信息量就更大，因為電視的傳輸頻率更高。

科學家說在微觀世界里，粒子的特性和波的特性會在一個載體上體現，這就是量子，量子有時候會體現粒子的特性，有速度，有質量，有時候又會有波的特性，有波長，有相位。這就是量子力學的第一個原則，量子的波，粒二象性。

量子有什么特點？它的狀態不是固定的，是隨機的，也就是所謂的“0”和“1”的疊加態，我拿一個硬幣在桌上一轉，我說拍下來這個硬幣是字還是國徽，沒有一個人能答的出來，因為它是隨機的。換一種問法，我拍很多很多次，再問幾次是國徽幾次是字，你很快告訴我各占50%。為了驗證這個東西，科學家設計了一個實驗，它有一個放射源，這個放射源有一定的概率發射原子。把這個東西放在盒子里面，同時放進去一瓶毒藥，如果放射源發射出一個原子，就能把毒藥瓶打碎，再把一只貓放進去。打開之前你是不知道貓是活的還是死的，如果這段時間里，這個放射源放射出原子，那個貓沒事，打開是活的，如果在這段時間衰減發生了，原子發射出了，就會打碎毒藥瓶，貓就毒死了。打開門的一剎那，用我們量子的話來說，就是對這個量子狀態進行測量，測量完以后，它就不是一個概率問題，是確定的，活的就是活的，死的就是死的，這就是量子力學。

在量子力學中還有一些奇怪的現象，我們叫“量子力學測不準原理”。如果是你在開車，你就能說出你的位置和速度。但對量子就不行，在量子力學中，量子的速度和位置不能同時準確測量。如果我們要準確測量位置，可以用光子去測，光子的波長越短，位置的測量精度就高，而根據愛因斯坦光電效應的發現，波長越短的光子的能量就越大，對被測量的量子的速度影響就越大，你就不能很精確地測量速度。這個就是量子力學的測不準原理，我們當時學量子力學的時候還是很頭痛的，我印象很深。

還有一個量子力學不可克隆原理，你沒測量之前你只知道它的概率，一旦確定以后，但是這次測量不能預測下一次測量，就像拍硬幣一樣。所以量子力學里面告訴你，量子是不可拷貝，拷貝的過程當中狀態會發生變化，會引入誤差，這也是后面量子通訊里非常重要的原理。

講了一些量子力學的原理，可能很多小朋友頭有點大了，兩個事要記牢，第一量子是一份一份的，第二量子不能拷貝，不是現在的計算機一傳就拷過去了，量子一拷貝里面有四分之一信息就錯掉了。

量子衛星是中國科學院科學先導專項中支持的四顆科學實驗衛星項目中的一顆衛星，主要是要開展衛星與地面遠距離量子通信的科學實驗。那我們工程上要做的事情是什么呢？要發一顆量子衛星，要建五個地面站，還要完成發射、控制這些任務。

所謂量子通信，并不是大家想象的，也有很多朋友說，你們發展量子通信技術是不是要把現在的光通信替代掉，也有人說無線電通信相當于小學生，到微波通信可能是中學生，到激光通信是大學，以后量子通信就相當于到研究生水平了，可以把前面的都替代了，我負責地告訴你，不對的，量子通信不是否定它，而是增加一個非常安全可靠的保障。現在國際上提的量子通信，全部是指給現在的通信增加安全的手段，而不是替代。

量子的狀態不可拷貝，是不是說量子信息就不能傳輸了，現在大家都用計算機、微信，某個朋友跟你說什么東西，快點轉發我一個，就是拷貝，如果是量子信息，常規轉發方式，一轉過來可能就黑掉了，四分之一信息不對了。但科學家發現通過糾纏可以非常好地把它傳過來，以前地面近距離進行隱形傳態已經被實驗證明是可以的，但地面和衛星上千公里行不行？

還有一個問題，我們做這些實驗，為什么在衛星上，光纖可以嗎？光通信很大可以依賴光纖，但是在光纖中光信號傳輸會衰減，傳遞距離一般不超過100公里，要傳得更遠，一百公里要做一個中繼站。在星地量子通信中，如果是相距1200公里的時候，空間的效率要比光纖來做要高10的20次方倍，我們不但做了計算，這次星地實驗也證明了這一點。真正要遠距離的量子通信，甚至全球的量子通信，通過衛星是一個最佳選擇。

下面介紹一下量子秘鑰分發的原理，為什么量子秘鑰是安全的？第一，由于單光子不可分割性，所以被竊取的光子不產生秘鑰；第二，由于量子的不可克隆原理，所以被復制的光子不產生也不會產生密鑰。以上兩條確定了量子秘鑰在分發過程中的絕對安全。那么，這個量子秘鑰怎么通過衛星分發呢？這個比較簡單，當衛星飛過新疆地面站1，衛星和新疆地面建立聯系，就可以產生量子密鑰K1。衛星飛到北京上面，就能和北京地面站2產生另一把量子鑰匙K2，兩個地面站不一樣量子秘鑰，但是衛星上這兩把鑰匙都有，我們可以把衛星上面K1和K2進行一次“異或”運算，把這個結果用明碼發到地面站2，那時候地面站有K2的鑰匙了，又有K1和K2“異或”運算結果，再做一個反“異或”運算，這時候地面站2就能得到量子秘鑰K2，用這個方法，衛星就可以把密鑰分到地球上有地面站的任何地方。

第二個就是所謂的糾纏，量子力學里面發現很怪的現象，兩個糾纏的粒子不管多遠，如果一個粒子被測量，那么一個粒子狀態就被固定了，這就是所謂的糾纏現象，這個現象出來以后大家很疑惑，就是愛因斯坦，也是量子力學創造人之一，他也有異議，認為是遙遠地點之間詭異的互動，它說一定是量子力學不完善，才造成的這個結果。

這件事情愛因斯坦和另一個科學家波爾吵了幾十年。物理學家不像數學家，數學家靠演算推導，物理學家就可以做實驗，如果實驗做出來是對的，就要承認。在1964年的時候有個科學家Bell推導了一個不等式，如果用傳統方法計算，這個不等式最大值是2，如果按照量子力學的預言，這個最大到2.8。這就為科學家做實驗創造了條件。經過很多地面實驗，科學家發現了確確實實大于2。科學家通過實驗，證明了一公里是存在的，但十公里存不存在？一百公里存不存在？量子衛星發射之前，國際上最遠的距離也是我們保持的，在青海湖我們把這個距離做了一百公里，這次利用衛星，我們證明了在1200公里，糾纏現象是存在的。

第三就是隱性傳態，它是量子世界中一種信息傳輸方式，我們地面試驗已經證明，通過量子糾纏對，可以把一個量子從一個傳送到另外一個量子上去，。這是上世紀90年代科學家在實驗室做出來的非常有名的實驗，論文發表在《自然》雜志上，并入選《自然》雜志百年21篇經典論文，有人認為這個東西以后可能會影響改變世界，是另外一種新的信息傳輸方式。我們的任務是要驗證這種量子世界的信息傳送方式，在地星相距1000多公里的條件下是否還能實現。

衛星到底是怎么做的，衛星還是很復雜的一個東西，現在好像中國發衛星也不太難。我們沒有用很多錢，我們弄了一顆很小的衛星，這顆衛星一共就600多公斤，比這個講臺大一點。

我們安排了五個地面站，北京和新疆的南山，主要是用來演示量子秘鑰分發的可信性。同時德令哈和云南麗江可以組成一組，德令哈和新疆南山又可以組成一組，用于隱形傳態的試驗，在西藏的阿里有一個發射站，用于地星隱形傳態試驗。

去年的8月16號，量子衛星正式發射成功，到1月18號正式交付，我們現在已經提前圓滿完成任務，這個衛星叫“墨子號”，為什么取這個名字，墨子是我國幾大圣人之一，最重要的墨子是中國第一個光子科學家，在“墨經”中就記載了光的小孔成像原理。

衛星在天上，每秒將近八公里，一百分鐘就能繞地球轉一圈，現在完成了300多次對接，沒有一次由于星上的原因沒有對接成功的。

到目前為止我們提前完成原設定的三個實驗，第一篇發表在Science上，內容是1200公里糾纏分發實驗；另二個實驗——星地量子密鑰分發和地星量子隱性傳態的試驗結果發表在Nature上。

由于我們研制設備做得比較好，原來計劃要超過一年才能完成任務，我們在不到半年的時間里完成了任務。

量子衛星發射后，我們被評為中國2016年十大科技進展第一位。作為唯一誕生于美國本土之外的創新技術入選《科學美國人》評選的2016年度“改變世界的十大創新技術”，《自然》雜志盤點2016年八大科學事件，我們也被選報了，特別是華爾街日報，有一個報道說，中國的體面沉寂了一千年，中國要重回發明創新之巔。外國也有很多科學家評論，有很多鼓勵，也有酸溜溜的，美國波士頓大學的科學家說，這個事確實很讓人激動，因為它是首次開展此類實驗，因此對全球都有意義。歐洲人說，中國的科學水平已經實現了飛躍，如果歐盟不成為合理的有效率的整體，眼看就會被中國超越了。當然也還有人說，中國的科學水平相較于西方世界，不可能因為實現量子技術的飛躍就怎么樣了，其實還是差得遠。

多年的開放，為科學家的原創提供了條件，為墨子號注入靈魂，這正是首席科學家潘建偉院士的作用，潘建偉是1992年中科大畢業，1995年獲得該校理論物理碩士學位，1999年獲得奧地利維也納大學博士學位。我們的工程技術再好，如果人家提出的科學目標不先進的話，你做出來的東西的水平也高不了。當然科學的思想還是創新的源泉。我們為了做這個東西，也不是說想做就做，從2009年年開始到2011年，我們在青海做了大量的實驗證明這個東西上天是可能的，我們隊伍在那邊一待好幾個月。

因為有好的科學思想，再加上原來積累的基礎，通過多學科融合交叉，強強聯合。比如說小衛星平臺，量子糾纏源，量子信息保持，天地對接技術，每一項都不是很容易的技術，我當時總結了七大技術，這里面有很多是很專業的，我最簡單的說一個天地對接，衛星從地球的另一邊出來以后我們首先要能夠從光學上捕獲到它，而且要求一星兩站，一顆衛星要同時對準兩個地面站，距離大于1000公里。那么星地對準的精度要達到什么量級呢？我今天可以這么說，如果上海打一束光，要打到一千多公里外的北京，我要求這個光要打到一個指定的窗戶，而且不能晃動。現在衛星軌道的預報還是可以的，有一個經緯度告訴你，我們從地面站發出一束光，天上衛星就會看到地面發上去的光，衛星收到這個光，同時向地面發出一束光，地面站一旦看到衛星上發下來的光，天地間就能對上了，就可以做實驗了。我們現在能達到的對準精度基本上是國際最高水平，而且國際上從來沒有由一顆衛星對準兩個地面站的先例。其他的還有幾個技術，也比較專業，如天地的偏振保持問題，光的偏振通過介質它是會變化的，而且衛星在天上是繞著地球轉的，這相當于衛星和地球之間的坐標系也是相對旋轉的，在這種條件，要保持接收到的光子的偏振保持不變，難度是非常大的。這個難度相當于人坐在萬米高空的飛機上，地面有兩個小的儲蓄罐，儲蓄罐在慢慢地繞自身的中心轉動，我們要在飛機上扔下兩個硬幣，希望分別扔進兩個儲蓄罐狹長的投幣口里面。

中國的科研組織和管理模式為墨子號的成功發生提供了強大保障。從美國的阿波羅登陸，我們的載人航天，我們的量子衛星，這些都是國家的支持，沒有國家的支持不行。這些確實也是高科技的比拼，我們說創新合作，就是說一個人是做不成的，研制團隊都是幾百人乃至上千人，大家齊心合力才能做成；最后，做這個項目還需要有愛國精神和探索未來的理想信念。

我們下一步計劃要把這個技術向應用推進，最后建一張全國的量子通信網，再通過衛星，建成全球的量子通信網。現在量子通信也努力地向產業發展，大家都知道這是個好東西，但量子通信只是對目前傳統通信技術的一種補充，而不是全面替代；量子產業的門檻是比較高，技術含量極高，所以國家行為和自上而下的痕跡很重，量子信息產業需要大量的光電子技術，核心技術正在突破中，學術的爭論至今沒有結束，產業的技術風險和市場風險都比較大。市場上有一大片冠以量子的產業，有很多是夸大的，更有許多是魚龍混雜。總之，我們把量子通信技術發展成產業還是剛剛起步，還沒有形成規模。

“墨子號”只是開始，中國科技正從“跟蹤” 向“引領” 跨越，中華民族將對人類科技發展作出應有的貢獻。

（澎湃新聞實習生張余芳 整理，本文經演講者審定）