王建宇:“墨子号”与中国式科技创新

8月17日，在2017年暑期院士专家系列科普讲坛上,中科院技术物理研究所研究员王建宇主讲了去年大热的量子卫星相关的科普知识。王建宇是墨子号量子卫星工程常务副总设计师，卫星总指挥，长期从事空间光电系统，信息获取与处理技术的研究，主持了多项国家重大项目。本次讲坛由上海市新闻出版社，上海市科学技术协会主办，上海市科普作家协会，上海科协大讲坛管理办公室和新华网科普中国科技前沿大师谈承办。

二十世纪物理学发展最快，有两个非常大的发现，普朗克提出量子论，爱因斯坦提出相对论。但爱因斯坦对量子力学也有非常大的贡献，他首先通过光电效应的实验证明了光是一份一份的，爱因斯坦因此获得1921年的诺贝尔物理学奖，他的第一个诺奖并不是靠相对论获得的。

量子信息学是一门利用微观粒子的量子力学原理来解决经典信息学和经典计算机所不能解决的问题。关键词是量子通信和量子计算，说实话我觉得量子计算比量子通信更难，如果真突破的话，比量子通信影响更大，可以改变现在计算机的概念。

量子力学有几个和我们常规的想法不一样的地方，第一是波粒二象性，一般粒子比较好想，一颗小石子也是粒子，一扔就扔出去了，从物理学上讲它可以有质量、速度、动量和能量，这些都是粒子特性。

第二是波，可能大家说得比较多的是电磁波，手机为什么能通信？是把我们讲的话调制到高频电磁波里并发射出去，那边把电磁波收下来，再把语音解调出来就能听到声音了，波有波长，频率和相位，一般来说频率越高的波，能够加载的信息量就越大。

半导体收音机，它用无线电波，以前有中波，短波，一般的中波信号不是特别好，后来发明了调频收音机，要比一般中波频率高，频率高加载的信息就多，所以音乐的保真度就好。后来看电视，信息量就更大，因为电视的传输频率更高。

科学家说在微观世界里，粒子的特性和波的特性会在一个载体上体现，这就是量子，量子有时候会体现粒子的特性，有速度，有质量，有时候又会有波的特性，有波长，有相位。这就是量子力学的第一个原则，量子的波，粒二象性。

量子有什么特点？它的状态不是固定的，是随机的，也就是所谓的“0”和“1”的叠加态，我拿一个硬币在桌上一转，我说拍下来这个硬币是字还是国徽，没有一个人能答的出来，因为它是随机的。换一种问法，我拍很多很多次，再问几次是国徽几次是字，你很快告诉我各占50%。为了验证这个东西，科学家设计了一个实验，它有一个放射源，这个放射源有一定的概率发射原子。把这个东西放在盒子里面，同时放进去一瓶毒药，如果放射源发射出一个原子，就能把毒药瓶打碎，再把一只猫放进去。打开之前你是不知道猫是活的还是死的，如果这段时间里，这个放射源放射出原子，那个猫没事，打开是活的，如果在这段时间衰减发生了，原子发射出了，就会打碎毒药瓶，猫就毒死了。打开门的一刹那，用我们量子的话来说，就是对这个量子状态进行测量，测量完以后，它就不是一个概率问题，是确定的，活的就是活的，死的就是死的，这就是量子力学。

在量子力学中还有一些奇怪的现象，我们叫“量子力学测不准原理”。如果是你在开车，你就能说出你的位置和速度。但对量子就不行，在量子力学中，量子的速度和位置不能同时准确测量。如果我们要准确测量位置，可以用光子去测，光子的波长越短，位置的测量精度就高，而根据爱因斯坦光电效应的发现，波长越短的光子的能量就越大，对被测量的量子的速度影响就越大，你就不能很精确地测量速度。这个就是量子力学的测不准原理，我们当时学量子力学的时候还是很头痛的，我印象很深。

还有一个量子力学不可克隆原理，你没测量之前你只知道它的概率，一旦确定以后，但是这次测量不能预测下一次测量，就像拍硬币一样。所以量子力学里面告诉你，量子是不可拷贝，拷贝的过程当中状态会发生变化，会引入误差，这也是后面量子通讯里非常重要的原理。

讲了一些量子力学的原理，可能很多小朋友头有点大了，两个事要记牢，第一量子是一份一份的，第二量子不能拷贝，不是现在的计算机一传就拷过去了，量子一拷贝里面有四分之一信息就错掉了。

量子卫星是中国科学院科学先导专项中支持的四颗科学实验卫星项目中的一颗卫星，主要是要开展卫星与地面远距离量子通信的科学实验。那我们工程上要做的事情是什么呢？要发一颗量子卫星，要建五个地面站，还要完成发射、控制这些任务。

所谓量子通信，并不是大家想象的，也有很多朋友说，你们发展量子通信技术是不是要把现在的光通信替代掉，也有人说无线电通信相当于小学生，到微波通信可能是中学生，到激光通信是大学，以后量子通信就相当于到研究生水平了，可以把前面的都替代了，我负责地告诉你，不对的，量子通信不是否定它，而是增加一个非常安全可靠的保障。现在国际上提的量子通信，全部是指给现在的通信增加安全的手段，而不是替代。

量子的状态不可拷贝，是不是说量子信息就不能传输了，现在大家都用计算机、微信，某个朋友跟你说什么东西，快点转发我一个，就是拷贝，如果是量子信息，常规转发方式，一转过来可能就黑掉了，四分之一信息不对了。但科学家发现通过纠缠可以非常好地把它传过来，以前地面近距离进行隐形传态已经被实验证明是可以的，但地面和卫星上千公里行不行？

还有一个问题，我们做这些实验，为什么在卫星上，光纤可以吗？光通信很大可以依赖光纤，但是在光纤中光信号传输会衰减，传递距离一般不超过100公里，要传得更远，一百公里要做一个中继站。在星地量子通信中，如果是相距1200公里的时候，空间的效率要比光纤来做要高10的20次方倍，我们不但做了计算，这次星地实验也证明了这一点。真正要远距离的量子通信，甚至全球的量子通信，通过卫星是一个最佳选择。

下面介绍一下量子秘钥分发的原理，为什么量子秘钥是安全的？第一，由于单光子不可分割性，所以被窃取的光子不产生秘钥；第二，由于量子的不可克隆原理，所以被复制的光子不产生也不会产生密钥。以上两条确定了量子秘钥在分发过程中的绝对安全。那么，这个量子秘钥怎么通过卫星分发呢？这个比较简单，当卫星飞过新疆地面站1，卫星和新疆地面建立联系，就可以产生量子密钥K1。卫星飞到北京上面，就能和北京地面站2产生另一把量子钥匙K2，两个地面站不一样量子秘钥，但是卫星上这两把钥匙都有，我们可以把卫星上面K1和K2进行一次“异或”运算，把这个结果用明码发到地面站2，那时候地面站有K2的钥匙了，又有K1和K2“异或”运算结果，再做一个反“异或”运算，这时候地面站2就能得到量子秘钥K2，用这个方法，卫星就可以把密钥分到地球上有地面站的任何地方。

第二个就是所谓的纠缠，量子力学里面发现很怪的现象，两个纠缠的粒子不管多远，如果一个粒子被测量，那么一个粒子状态就被固定了，这就是所谓的纠缠现象，这个现象出来以后大家很疑惑，就是爱因斯坦，也是量子力学创造人之一，他也有异议，认为是遥远地点之间诡异的互动，它说一定是量子力学不完善，才造成的这个结果。

这件事情爱因斯坦和另一个科学家波尔吵了几十年。物理学家不像数学家，数学家靠演算推导，物理学家就可以做实验，如果实验做出来是对的，就要承认。在1964年的时候有个科学家Bell推导了一个不等式，如果用传统方法计算，这个不等式最大值是2，如果按照量子力学的预言，这个最大到2.8。这就为科学家做实验创造了条件。经过很多地面实验，科学家发现了确确实实大于2。科学家通过实验，证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？量子卫星发射之前，国际上最远的距离也是我们保持的，在青海湖我们把这个距离做了一百公里，这次利用卫星，我们证明了在1200公里，纠缠现象是存在的。

第三就是隐性传态，它是量子世界中一种信息传输方式，我们地面试验已经证明，通过量子纠缠对，可以把一个量子从一个传送到另外一个量子上去，。这是上世纪90年代科学家在实验室做出来的非常有名的实验，论文发表在《自然》杂志上，并入选《自然》杂志百年21篇经典论文，有人认为这个东西以后可能会影响改变世界，是另外一种新的信息传输方式。我们的任务是要验证这种量子世界的信息传送方式，在地星相距1000多公里的条件下是否还能实现。

卫星到底是怎么做的，卫星还是很复杂的一个东西，现在好像中国发卫星也不太难。我们没有用很多钱，我们弄了一颗很小的卫星，这颗卫星一共就600多公斤，比这个讲台大一点。

我们安排了五个地面站，北京和新疆的南山，主要是用来演示量子秘钥分发的可信性。同时德令哈和云南丽江可以组成一组，德令哈和新疆南山又可以组成一组，用于隐形传态的试验，在西藏的阿里有一个发射站，用于地星隐形传态试验。

去年的8月16号，量子卫星正式发射成功，到1月18号正式交付，我们现在已经提前圆满完成任务，这个卫星叫“墨子号”，为什么取这个名字，墨子是我国几大圣人之一，最重要的墨子是中国第一个光子科学家，在“墨经”中就记载了光的小孔成像原理。

卫星在天上，每秒将近八公里，一百分钟就能绕地球转一圈，现在完成了300多次对接，没有一次由于星上的原因没有对接成功的。

到目前为止我们提前完成原设定的三个实验，第一篇发表在Science上，内容是1200公里纠缠分发实验；另二个实验——星地量子密钥分发和地星量子隐性传态的试验结果发表在Nature上。

由于我们研制设备做得比较好，原来计划要超过一年才能完成任务，我们在不到半年的时间里完成了任务。

量子卫星发射后，我们被评为中国2016年十大科技进展第一位。作为唯一诞生于美国本土之外的创新技术入选《科学美国人》评选的2016年度“改变世界的十大创新技术”，《自然》杂志盘点2016年八大科学事件，我们也被选报了，特别是华尔街日报，有一个报道说，中国的体面沉寂了一千年，中国要重回发明创新之巅。外国也有很多科学家评论，有很多鼓励，也有酸溜溜的，美国波士顿大学的科学家说，这个事确实很让人激动，因为它是首次开展此类实验，因此对全球都有意义。欧洲人说，中国的科学水平已经实现了飞跃，如果欧盟不成为合理的有效率的整体，眼看就会被中国超越了。当然也还有人说，中国的科学水平相较于西方世界，不可能因为实现量子技术的飞跃就怎么样了，其实还是差得远。

多年的开放，为科学家的原创提供了条件，为墨子号注入灵魂，这正是首席科学家潘建伟院士的作用，潘建伟是1992年中科大毕业，1995年获得该校理论物理硕士学位，1999年获得奥地利维也纳大学博士学位。我们的工程技术再好，如果人家提出的科学目标不先进的话，你做出来的东西的水平也高不了。当然科学的思想还是创新的源泉。我们为了做这个东西，也不是说想做就做，从2009年年开始到2011年，我们在青海做了大量的实验证明这个东西上天是可能的，我们队伍在那边一待好几个月。

因为有好的科学思想，再加上原来积累的基础，通过多学科融合交叉，强强联合。比如说小卫星平台，量子纠缠源，量子信息保持，天地对接技术，每一项都不是很容易的技术，我当时总结了七大技术，这里面有很多是很专业的，我最简单的说一个天地对接，卫星从地球的另一边出来以后我们首先要能够从光学上捕获到它，而且要求一星两站，一颗卫星要同时对准两个地面站，距离大于1000公里。那么星地对准的精度要达到什么量级呢？我今天可以这么说，如果上海打一束光，要打到一千多公里外的北京，我要求这个光要打到一个指定的窗户，而且不能晃动。现在卫星轨道的预报还是可以的，有一个经纬度告诉你，我们从地面站发出一束光，天上卫星就会看到地面发上去的光，卫星收到这个光，同时向地面发出一束光，地面站一旦看到卫星上发下来的光，天地间就能对上了，就可以做实验了。我们现在能达到的对准精度基本上是国际最高水平，而且国际上从来没有由一颗卫星对准两个地面站的先例。其他的还有几个技术，也比较专业，如天地的偏振保持问题，光的偏振通过介质它是会变化的，而且卫星在天上是绕着地球转的，这相当于卫星和地球之间的坐标系也是相对旋转的，在这种条件，要保持接收到的光子的偏振保持不变，难度是非常大的。这个难度相当于人坐在万米高空的飞机上，地面有两个小的储蓄罐，储蓄罐在慢慢地绕自身的中心转动，我们要在飞机上扔下两个硬币，希望分别扔进两个储蓄罐狭长的投币口里面。

中国的科研组织和管理模式为墨子号的成功发生提供了强大保障。从美国的阿波罗登陆，我们的载人航天，我们的量子卫星，这些都是国家的支持，没有国家的支持不行。这些确实也是高科技的比拼，我们说创新合作，就是说一个人是做不成的，研制团队都是几百人乃至上千人，大家齐心合力才能做成；最后，做这个项目还需要有爱国精神和探索未来的理想信念。

我们下一步计划要把这个技术向应用推进，最后建一张全国的量子通信网，再通过卫星，建成全球的量子通信网。现在量子通信也努力地向产业发展，大家都知道这是个好东西，但量子通信只是对目前传统通信技术的一种补充，而不是全面替代；量子产业的门槛是比较高，技术含量极高，所以国家行为和自上而下的痕迹很重，量子信息产业需要大量的光电子技术，核心技术正在突破中，学术的争论至今没有结束，产业的技术风险和市场风险都比较大。市场上有一大片冠以量子的产业，有很多是夸大的，更有许多是鱼龙混杂。总之，我们把量子通信技术发展成产业还是刚刚起步，还没有形成规模。

“墨子号”只是开始，中国科技正从“跟踪” 向“引领” 跨越，中华民族将对人类科技发展作出应有的贡献。

（澎湃新闻实习生张余芳 整理，本文经演讲者审定）