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(shù)物理研究所研究員王建宇主講了去年大熱的量子衛(wèi)星相關(guān)的科普知識(shí)。王建宇是墨子號(hào)量子衛(wèi)星工程常務(wù)副總設(shè)計(jì)師，衛(wèi)星總指揮，長(zhǎng)期從事空間光電系統(tǒng)，信息獲取與處理技術(shù)的研究，主持了多項(xiàng)國(guó)家重大項(xiàng)目。本次講壇由上海市新聞出版社，上海市科學(xué)技術(shù)協(xié)會(huì)主辦，上海市科普作家協(xié)會(huì)，上海科協(xié)大講壇管理辦公室和新華網(wǎng)科普中國(guó)科技前沿大師談承辦。

二十世紀(jì)物理學(xué)發(fā)展最快，有兩個(gè)非常大的發(fā)現(xiàn)，普朗克提出量子論，愛(ài)因斯坦提出相對(duì)論。但愛(ài)因斯坦對(duì)量子力學(xué)也有非常大的貢獻(xiàn)，他首先通過(guò)光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)證明了光是一份一份的，愛(ài)因斯坦因此獲得1921年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，他的第一個(gè)諾獎(jiǎng)并不是靠相對(duì)論獲得的。

量子信息學(xué)是一門利用微觀粒子的量子力學(xué)原理來(lái)解決經(jīng)典信息學(xué)和經(jīng)典計(jì)算機(jī)所不能解決的問(wèn)題。關(guān)鍵詞是量子通信和量子計(jì)算，說(shuō)實(shí)話我覺(jué)得量子計(jì)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(xiàn)在計(jì)算機(jī)的概念。

量子力學(xué)有幾個(gè)和我們常規(guī)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(xué)上講它可以有質(zhì)量、速度、動(dòng)量和能量，這些都是粒子特性。

第二是波，可能大家說(shuō)得比較多的是電磁波，手機(jī)為什么能通信？是把我們講的話調(diào)制到高頻電磁波里并發(fā)射出去，那邊把電磁波收下來(lái)，再把語(yǔ)音解調(diào)出來(lái)就能聽(tīng)到聲音了，波有波長(zhǎng)，頻率和相位，一般來(lái)說(shuō)頻率越高的波，能夠加載的信息量就越大。

半導(dǎo)體收音機(jī)，它用無(wú)線電波，以前有中波，短波，一般的中波信號(hào)不是特別好，后來(lái)發(fā)明了調(diào)頻收音機(jī)，要比一般中波頻率高，頻率高加載的信息就多，所以音樂(lè)的保真度就好。后來(lái)看電視，信息量就更大，因?yàn)殡娨暤膫鬏旑l率更高。

科學(xué)家說(shuō)在微觀世界里，粒子的特性和波的特性會(huì)在一個(gè)載體上體現(xiàn)，這就是量子，量子有時(shí)候會(huì)體現(xiàn)粒子的特性，有速度，有質(zhì)量，有時(shí)候又會(huì)有波的特性，有波長(zhǎng)，有相位。這就是量子力學(xué)的第一個(gè)原則，量子的波，粒二象性。

量子有什么特點(diǎn)？它的狀態(tài)不是固定的，是隨機(jī)的，也就是所謂的“0”和“1”的疊加態(tài)，我拿一個(gè)硬幣在桌上一轉(zhuǎn)，我說(shuō)拍下來(lái)這個(gè)硬幣是字還是國(guó)徽，沒(méi)有一個(gè)人能答的出來(lái)，因?yàn)樗请S機(jī)的。換一種問(wèn)法，我拍很多很多次，再問(wèn)幾次是國(guó)徽幾次是字，你很快告訴我各占50%。為了驗(yàn)證這個(gè)東西，科學(xué)家設(shè)計(jì)了一個(gè)實(shí)驗(yàn)，它有一個(gè)放射源，這個(gè)放射源有一定的概率發(fā)射原子。把這個(gè)東西放在盒子里面，同時(shí)放進(jìn)去一瓶毒藥，如果放射源發(fā)射出一個(gè)原子，就能把毒藥瓶打碎，再把一只貓放進(jìn)去。打開(kāi)之前你是不知道貓是活的還是死的，如果這段時(shí)間里，這個(gè)放射源放射出原子，那個(gè)貓沒(méi)事，打開(kāi)是活的，如果在這段時(shí)間衰減發(fā)生了，原子發(fā)射出了，就會(huì)打碎毒藥瓶，貓就毒死了。打開(kāi)門的一剎那，用我們量子的話來(lái)說(shuō)，就是對(duì)這個(gè)量子狀態(tài)進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量完以后，它就不是一個(gè)概率問(wèn)題，是確定的，活的就是活的，死的就是死的，這就是量子力學(xué)。

在量子力學(xué)中還有一些奇怪的現(xiàn)象，我們叫“量子力學(xué)測(cè)不準(zhǔn)原理”。如果是你在開(kāi)車，你就能說(shuō)出你的位置和速度。但對(duì)量子就不行，在量子力學(xué)中，量子的速度和位置不能同時(shí)準(zhǔn)確測(cè)量。如果我們要準(zhǔn)確測(cè)量位置，可以用光子去測(cè)，光子的波長(zhǎng)越短，位置的測(cè)量精度就高，而根據(jù)愛(ài)因斯坦光電效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)，波長(zhǎng)越短的光子的能量就越大，對(duì)被測(cè)量的量子的速度影響就越大，你就不能很精確地測(cè)量速度。這個(gè)就是量子力學(xué)的測(cè)不準(zhǔn)原理，我們當(dāng)時(shí)學(xué)量子力學(xué)的時(shí)候還是很頭痛的，我印象很深。

還有一個(gè)量子力學(xué)不可克隆原理，你沒(méi)測(cè)量之前你只知道它的概率，一旦確定以后，但是這次測(cè)量不能預(yù)測(cè)下一次測(cè)量，就像拍硬幣一樣。所以量子力學(xué)里面告訴你，量子是不可拷貝，拷貝的過(guò)程當(dāng)中狀態(tài)會(huì)發(fā)生變化，會(huì)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(xué)的原理，可能很多小朋友頭有點(diǎn)大了，兩個(gè)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(xiàn)在的計(jì)算機(jī)一傳就拷過(guò)去了，量子一拷貝里面有四分之一信息就錯(cuò)掉了。

量子衛(wèi)星是中國(guó)科學(xué)院科學(xué)先導(dǎo)專項(xiàng)中支持的四顆科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星項(xiàng)目中的一顆衛(wèi)星，主要是要開(kāi)展衛(wèi)星與地面遠(yuǎn)距離量子通信的科學(xué)實(shí)驗(yàn)。那我們工程上要做的事情是什么呢？要發(fā)一顆量子衛(wèi)星，要建五個(gè)地面站，還要完成發(fā)射、控制這些任務(wù)。

所謂量子通信，并不是大家想象的，也有很多朋友說(shuō)，你們發(fā)展量子通信技術(shù)是不是要把現(xiàn)在的光通信替代掉，也有人說(shuō)無(wú)線電通信相當(dāng)于小學(xué)生，到微波通信可能是中學(xué)生，到激光通信是大學(xué)，以后量子通信就相當(dāng)于到研究生水平了，可以把前面的都替代了，我負(fù)責(zé)地告訴你，不對(duì)的，量子通信不是否定它，而是增加一個(gè)非常安全可靠的保障。現(xiàn)在國(guó)際上提的量子通信，全部是指給現(xiàn)在的通信增加安全的手段，而不是替代。

量子的狀態(tài)不可拷貝，是不是說(shuō)量子信息就不能傳輸了，現(xiàn)在大家都用計(jì)算機(jī)、微信，某個(gè)朋友跟你說(shuō)什么東西，快點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)我一個(gè)，就是拷貝，如果是量子信息，常規(guī)轉(zhuǎn)發(fā)方式，一轉(zhuǎn)過(guò)來(lái)可能就黑掉了，四分之一信息不對(duì)了。但科學(xué)家發(fā)現(xiàn)通過(guò)糾纏可以非常好地把它傳過(guò)來(lái)，以前地面近距離進(jìn)行隱形傳態(tài)已經(jīng)被實(shí)驗(yàn)證明是可以的，但地面和衛(wèi)星上千公里行不行？

還有一個(gè)問(wèn)題，我們做這些實(shí)驗(yàn)，為什么在衛(wèi)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(hào)傳輸會(huì)衰減，傳遞距離一般不超過(guò)100公里，要傳得更遠(yuǎn)，一百公里要做一個(gè)中繼站。在星地量子通信中，如果是相距1200公里的時(shí)候，空間的效率要比光纖來(lái)做要高10的20次方倍，我們不但做了計(jì)算，這次星地實(shí)驗(yàn)也證明了這一點(diǎn)。真正要遠(yuǎn)距離的量子通信，甚至全球的量子通信，通過(guò)衛(wèi)星是一個(gè)最佳選擇。

下面介紹一下量子秘鑰分發(fā)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(chǎn)生秘鑰；第二，由于量子的不可克隆原理，所以被復(fù)制的光子不產(chǎn)生也不會(huì)產(chǎn)生密鑰。以上兩條確定了量子秘鑰在分發(fā)過(guò)程中的絕對(duì)安全。那么，這個(gè)量子秘鑰怎么通過(guò)衛(wèi)星分發(fā)呢？這個(gè)比較簡(jiǎn)單，當(dāng)衛(wèi)星飛過(guò)新疆地面站1，衛(wèi)星和新疆地面建立聯(lián)系，就可以產(chǎn)生量子密鑰K1。衛(wèi)星飛到北京上面，就能和北京地面站2產(chǎn)生另一把量子鑰匙K2，兩個(gè)地面站不一樣量子秘鑰，但是衛(wèi)星上這兩把鑰匙都有，我們可以把衛(wèi)星上面K1和K2進(jìn)行一次“異或”運(yùn)算，把這個(gè)結(jié)果用明碼發(fā)到地面站2，那時(shí)候地面站有K2的鑰匙了，又有K1和K2“異或”運(yùn)算結(jié)果，再做一個(gè)反“異或”運(yùn)算，這時(shí)候地面站2就能得到量子秘鑰K2，用這個(gè)方法，衛(wèi)星就可以把密鑰分到地球上有地面站的任何地方。

第二個(gè)就是所謂的糾纏，量子力學(xué)里面發(fā)現(xiàn)很怪的現(xiàn)象，兩個(gè)糾纏的粒子不管多遠(yuǎn)，如果一個(gè)粒子被測(cè)量，那么一個(gè)粒子狀態(tài)就被固定了，這就是所謂的糾纏現(xiàn)象，這個(gè)現(xiàn)象出來(lái)以后大家很疑惑，就是愛(ài)因斯坦，也是量子力學(xué)創(chuàng)造人之一，他也有異議，認(rèn)為是遙遠(yuǎn)地點(diǎn)之間詭異的互動(dòng)，它說(shuō)一定是量子力學(xué)不完善，才造成的這個(gè)結(jié)果。

這件事情愛(ài)因斯坦和另一個(gè)科學(xué)家波爾吵了幾十年。物理學(xué)家不像數(shù)學(xué)家，數(shù)學(xué)家靠演算推導(dǎo)，物理學(xué)家就可以做實(shí)驗(yàn)，如果實(shí)驗(yàn)做出來(lái)是對(duì)的，就要承認(rèn)。在1964年的時(shí)候有個(gè)科學(xué)家Bell推導(dǎo)了一個(gè)不等式，如果用傳統(tǒng)方法計(jì)算，這個(gè)不等式最大值是2，如果按照量子力學(xué)的預(yù)言，這個(gè)最大到2.8。這就為科學(xué)家做實(shí)驗(yàn)創(chuàng)造了條件。經(jīng)過(guò)很多地面實(shí)驗(yàn)，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了確確實(shí)實(shí)大于2。科學(xué)家通過(guò)實(shí)驗(yàn)，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(wèi)星發(fā)射之前，國(guó)際上最遠(yuǎn)的距離也是我們保持的，在青海湖我們把這個(gè)距離做了一百公里，這次利用衛(wèi)星，我們證明了在1200公里，糾纏現(xiàn)象是存在的。

第三就是隱性傳態(tài)，它是量子世界中一種信息傳輸方式，我們地面試驗(yàn)已經(jīng)證明，通過(guò)量子糾纏對(duì)，可以把一個(gè)量子從一個(gè)傳送到另外一個(gè)量子上去，。這是上世紀(jì)90年代科學(xué)家在實(shí)驗(yàn)室做出來(lái)的非常有名的實(shí)驗(yàn)，論文發(fā)表在《自然》雜志上，并入選《自然》雜志百年21篇經(jīng)典論文，有人認(rèn)為這個(gè)東西以后可能會(huì)影響改變世界，是另外一種新的信息傳輸方式。我們的任務(wù)是要驗(yàn)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(shí)現(xiàn)。

衛(wèi)星到底是怎么做的，衛(wèi)星還是很復(fù)雜的一個(gè)東西，現(xiàn)在好像中國(guó)發(fā)衛(wèi)星也不太難。我們沒(méi)有用很多錢，我們弄了一顆很小的衛(wèi)星，這顆衛(wèi)星一共就600多公斤，比這個(gè)講臺(tái)大一點(diǎn)。

我們安排了五個(gè)地面站，北京和新疆的南山，主要是用來(lái)演示量子秘鑰分發(fā)的可信性。同時(shí)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(tài)的試驗(yàn)，在西藏的阿里有一個(gè)發(fā)射站，用于地星隱形傳態(tài)試驗(yàn)。

去年的8月16號(hào)，量子衛(wèi)星正式發(fā)射成功，到1月18號(hào)正式交付，我們現(xiàn)在已經(jīng)提前圓滿完成任務(wù)，這個(gè)衛(wèi)星叫“墨子號(hào)”，為什么取這個(gè)名字，墨子是我國(guó)幾大圣人之一，最重要的墨子是中國(guó)第一個(gè)光子科學(xué)家，在“墨經(jīng)”中就記載了光的小孔成像原理。

衛(wèi)星在天上，每秒將近八公里，一百分鐘就能繞地球轉(zhuǎn)一圈，現(xiàn)在完成了300多次對(duì)接，沒(méi)有一次由于星上的原因沒(méi)有對(duì)接成功的。

到目前為止我們提前完成原設(shè)定的三個(gè)實(shí)驗(yàn)，第一篇發(fā)表在Science上，內(nèi)容是1200公里糾纏分發(fā)實(shí)驗(yàn)；另二個(gè)實(shí)驗(yàn)——星地量子密鑰分發(fā)和地星量子隱性傳態(tài)的試驗(yàn)結(jié)果發(fā)表在Nature上。

由于我們研制設(shè)備做得比較好，原來(lái)計(jì)劃要超過(guò)一年才能完成任務(wù)，我們?cè)诓坏桨肽甑臅r(shí)間里完成了任務(wù)。

量子衛(wèi)星發(fā)射后，我們被評(píng)為中國(guó)2016年十大科技進(jìn)展第一位。作為唯一誕生于美國(guó)本土之外的創(chuàng)新技術(shù)入選《科學(xué)美國(guó)人》評(píng)選的2016年度“改變世界的十大創(chuàng)新技術(shù)”，《自然》雜志盤點(diǎn)2016年八大科學(xué)事件，我們也被選報(bào)了，特別是華爾街日?qǐng)?bào)，有一個(gè)報(bào)道說(shuō)，中國(guó)的體面沉寂了一千年，中國(guó)要重回發(fā)明創(chuàng)新之巔。外國(guó)也有很多科學(xué)家評(píng)論，有很多鼓勵(lì)，也有酸溜溜的，美國(guó)波士頓大學(xué)的科學(xué)家說(shuō)，這個(gè)事確實(shí)很讓人激動(dòng)，因?yàn)樗鞘状伍_(kāi)展此類實(shí)驗(yàn)，因此對(duì)全球都有意義。歐洲人說(shuō)，中國(guó)的科學(xué)水平已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了飛躍，如果歐盟不成為合理的有效率的整體，眼看就會(huì)被中國(guó)超越了。當(dāng)然也還有人說(shuō)，中國(guó)的科學(xué)水平相較于西方世界，不可能因?yàn)閷?shí)現(xiàn)量子技術(shù)的飛躍就怎么樣了，其實(shí)還是差得遠(yuǎn)。

多年的開(kāi)放，為科學(xué)家的原創(chuàng)提供了條件，為墨子號(hào)注入靈魂，這正是首席科學(xué)家潘建偉院士的作用，潘建偉是1992年中科大畢業(yè)，1995年獲得該校理論物理碩士學(xué)位，1999年獲得奧地利維也納大學(xué)博士學(xué)位。我們的工程技術(shù)再好，如果人家提出的科學(xué)目標(biāo)不先進(jìn)的話，你做出來(lái)的東西的水平也高不了。當(dāng)然科學(xué)的思想還是創(chuàng)新的源泉。我們?yōu)榱俗鲞@個(gè)東西，也不是說(shuō)想做就做，從2009年年開(kāi)始到2011年，我們?cè)谇嗪Ｗ隽舜罅康膶?shí)驗(yàn)證明這個(gè)東西上天是可能的，我們隊(duì)伍在那邊一待好幾個(gè)月。

因?yàn)橛泻玫目茖W(xué)思想，再加上原來(lái)積累的基礎(chǔ)，通過(guò)多學(xué)科融合交叉，強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合。比如說(shuō)小衛(wèi)星平臺(tái)，量子糾纏源，量子信息保持，天地對(duì)接技術(shù)，每一項(xiàng)都不是很容易的技術(shù)，我當(dāng)時(shí)總結(jié)了七大技術(shù)，這里面有很多是很專業(yè)的，我最簡(jiǎn)單的說(shuō)一個(gè)天地對(duì)接，衛(wèi)星從地球的另一邊出來(lái)以后我們首先要能夠從光學(xué)上捕獲到它，而且要求一星兩站，一顆衛(wèi)星要同時(shí)對(duì)準(zhǔn)兩個(gè)地面站，距離大于1000公里。那么星地對(duì)準(zhǔn)的精度要達(dá)到什么量級(jí)呢？我今天可以這么說(shuō)，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(gè)光要打到一個(gè)指定的窗戶，而且不能晃動(dòng)。現(xiàn)在衛(wèi)星軌道的預(yù)報(bào)還是可以的，有一個(gè)經(jīng)緯度告訴你，我們從地面站發(fā)出一束光，天上衛(wèi)星就會(huì)看到地面發(fā)上去的光，衛(wèi)星收到這個(gè)光，同時(shí)向地面發(fā)出一束光，地面站一旦看到衛(wèi)星上發(fā)下來(lái)的光，天地間就能對(duì)上了，就可以做實(shí)驗(yàn)了。我們現(xiàn)在能達(dá)到的對(duì)準(zhǔn)精度基本上是國(guó)際最高水平，而且國(guó)際上從來(lái)沒(méi)有由一顆衛(wèi)星對(duì)準(zhǔn)兩個(gè)地面站的先例。其他的還有幾個(gè)技術(shù)，也比較專業(yè)，如天地的偏振保持問(wèn)題，光的偏振通過(guò)介質(zhì)它是會(huì)變化的，而且衛(wèi)星在天上是繞著地球轉(zhuǎn)的，這相當(dāng)于衛(wèi)星和地球之間的坐標(biāo)系也是相對(duì)旋轉(zhuǎn)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(gè)難度相當(dāng)于人坐在萬(wàn)米高空的飛機(jī)上，地面有兩個(gè)小的儲(chǔ)蓄罐，儲(chǔ)蓄罐在慢慢地繞自身的中心轉(zhuǎn)動(dòng)，我們要在飛機(jī)上扔下兩個(gè)硬幣，希望分別扔進(jìn)兩個(gè)儲(chǔ)蓄罐狹長(zhǎng)的投幣口里面。

中國(guó)的科研組織和管理模式為墨子號(hào)的成功發(fā)生提供了強(qiáng)大保障。從美國(guó)的阿波羅登陸，我們的載人航天，我們的量子衛(wèi)星，這些都是國(guó)家的支持，沒(méi)有國(guó)家的支持不行。這些確實(shí)也是高科技的比拼，我們說(shuō)創(chuàng)新合作，就是說(shuō)一個(gè)人是做不成的，研制團(tuán)隊(duì)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(gè)項(xiàng)目還需要有愛(ài)國(guó)精神和探索未來(lái)的理想信念。

我們下一步計(jì)劃要把這個(gè)技術(shù)向應(yīng)用推進(jìn)，最后建一張全國(guó)的量子通信網(wǎng)，再通過(guò)衛(wèi)星，建成全球的量子通信網(wǎng)。現(xiàn)在量子通信也努力地向產(chǎn)業(yè)發(fā)展，大家都知道這是個(gè)好東西，但量子通信只是對(duì)目前傳統(tǒng)通信技術(shù)的一種補(bǔ)充，而不是全面替代；量子產(chǎn)業(yè)的門檻是比較高，技術(shù)含量極高，所以國(guó)家行為和自上而下的痕跡很重，量子信息產(chǎn)業(yè)需要大量的光電子技術(shù)，核心技術(shù)正在突破中，學(xué)術(shù)的爭(zhēng)論至今沒(méi)有結(jié)束，產(chǎn)業(yè)的技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)和市場(chǎng)風(fēng)險(xiǎn)都比較大。市場(chǎng)上有一大片冠以量子的產(chǎn)業(yè)，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(shù)發(fā)展成產(chǎn)業(yè)還是剛剛起步，還沒(méi)有形成規(guī)模。

“墨子號(hào)”只是開(kāi)始，中國(guó)科技正從“跟蹤” 向“引領(lǐng)” 跨越，中華民族將對(duì)人類科技發(fā)展作出應(yīng)有的貢獻(xiàn)。

（澎湃新聞實(shí)習(xí)生張余芳 整理，本文經(jīng)演講者審定）