王建宇：太空中的光极限探测技术

　　新浪财经讯 由中国商务部、科技部、工信部、国家发改委、农业农村部、国家知识产权局、中国科学院、中国工程院等国家部委和深圳市人民政府共同举办的“第二十一届中国国际高新技术成果交易会”于2019年11月13日-17日在中国深圳举行。中国科学院院士，中国科学院神经科学研究所研究员，中国科学院生物物理研究所研究员，中国科学院院士、中国科学院上海分院院长、“墨子号”量子卫星工程常务副总设计师、卫星系统总指挥王建宇出席“改变世界的新兴科技II”交流会并演讲。

　　以下为演讲实录：

　　刚刚两场听了非常激动，第一场是讲人体里面最小的东西，第二场是讲我们关注的5G，接下来我跟大家分享一下在太空里面我们能看到什么。

　　大家知道光是无所不在，是最普通不过的，但是光里面涉及到非常多的奥秘。从历史上来看，什么是光，一直是有很大的争论。18世纪的科学家牛顿说光是一个一个粒子，可以解释很多光的特征，但是解释不了光的干涉和衍射现象。后来惠更斯说是光是一种波，但对光传播的东西又解释不了。一直到本世纪初爱因斯坦提出了一个观点，为什么世界上的东西一定不是这个就是那个，而不能既是这个又是那个。他的意思是说我认为光既是波，又是粒子，这是非常大的进步，这就后面奠定了量子力学的基础。我们逐步认识到光既是一种波，又是一种粒子。5G、太赫兹传递的都是电磁波，在物理本质上光和电磁波是一样的。当时的科学家非常伟大，没有现在那么多的手段，但是把物理公式推导得非常漂亮。

　　我今天跟大家分享两个故事，就是光在太空当中，或者在空间会有什么样的应用。第一个故事是我们已经做成的事情，就是我主持研制的“墨子号”在太空上做什么。2016年8月16日我们把“墨子号”发射上天，说到量子力学要非常简单地说一下量子力学的基本概念。世界上所有的东西分到最后都是一份一份的，能量也是一份一份的，光最后也是一份一份的，我们称之为光子。在量子力学里面说任何事情都是概率，或者说量子态到底是0还是1是不确定的，中国人比较喜欢玩硬币旋转的游戏，如果你在桌面上转一下，我问你拍下来是字还是国徽，没有一个人能准确回答。但是我转1000次，多少次是字，多少次是国徽，这样大家都能回答，大概是各500。在量子力学里面又有一个原理量子侧不准原理，这也就衍生出了量子不可克隆原理，任何量子系统去测量它，再拷贝成另外一个量子系统，不像手机上的微信发出去可以满天下发出去，它不行，拷贝一次错误的概率是百分之二十几。这些原理被我们科学家不断地利用。

　　“墨子号”要做什么事呢第一个是量子密钥的分发，保密中心里面最重要的就是密钥，作为量子特性，有可能在传输过程中是不可窃听或不可破译的密码，原理简单来说，刚才说了量子都是一份一份的，假定我发出1万个量子码，收的人收到了1000个，不要仅，我只要知道他收到哪1000个，我们就可以在这里面产生密码，而其他人如果来截取这1000个已经被对方拿走的是拿不到的，他拿到的都是这1000个以外的。在量子世界里面被窃取的光子不产生密钥。当然也有人说还是不保密的，我有办法把你所有的光子通通收掉，我再拷贝一份发给对方，这样他收到的光子我全有，是不是能破译这个密码呢？这时候量子的第二个原理就起作用了，量子的东西拷贝以后有1/4是错误的，只要在收到的量子里面拿出一部分来核对，我发现错一两个，可能是信道的误码，如果错误率达到多少之后我就怀疑这个链路被人窃听了。它最大的好处是一旦被窃听我就能发现，反过来在它的传输过程中只要传输成功，它一定是安全的。

　　“墨子号”第一个就是要做天和地之间的密码能不能通过卫星来传递。第二个是我们做一个非常有意思的实验，这完全是物理学界的，在量子力学里面有一个非常奇怪的推论，虽然前面说量子力学的东西你不去测是不知道的，但是在某种情况下产生出来的两个量子或几个量子，有可能它有相同的特征，我们叫有一个被测量确定以后，另外一个立马就确定了，这个和量子前面的理论是有矛盾的。科学都是可以怀疑的，包括爱因斯坦也认为这个东西是不对的。他就提出来这个情况下相对论的定域性说，就是对一个粒子的测量不可能影响另外一个粒子，他一定认为是量子力学的理论有矛盾或不完备造成特殊情况下错误的结论。到1964年有一个科学家Bell提出了这个公式，就是Bell不等式，只要我做这个实验得出的结论超过2，那就照明了这种纠缠现象是存在的。一直到1972年有人在实验室里做了这个实验证明确实是存在的，国际在物理学上的进展是看谁能证明这种现象到底存在多少，或者谁能把这个距离做得更远，我们通过这个卫星要把距离做到1000多公里，看在宇宙范围内能否成立。

　　第三个是在量子世界里面所有的东西是不能拷贝的，一拷贝就会错。一个世界如果不能拷贝，不能和外面准确交换信息，这个世界是没用的。科学家认为量子界一定有自己独特的信息传输方式。如果这种纠缠是存在的，那么一定是可以通过纠缠来传递信息，他们在地面也做了实验。这种传递方式叫量子隐形传态，要把地面上的一个量子态原封不动地传到太空上去。

　　这三个事我们都是通过光子来做的，光子肉眼是看不到的，为了做这个我们从工程上发了一颗卫星，建了5个地面站来做这个事情。很多朋友会问这颗卫星为什么要叫“墨子号”？这里面是有一点故事的，墨子是我国的四大圣人之一，但大家不太知道的是墨子也是一位非常伟大的科学家，他记录了全世界第一个光学试验小孔成像实验，我们团队把这颗卫星取名为墨子号，为了纪念这个伟大的科学家，也是体现我们中国的文化。

　　这颗卫星上去以后，大概经过半年的实验，我们三项目标都完成了，第一个验证了地面两个分别距离1200公里的地面站接收卫星上发下来的纠缠光子，确确实实证明了这种纠缠是存在的，这个论文刊登在2017年6月份《科学》杂志上，作为封面文章，去年告诉我们这篇文章获得了2017年《科学》最佳论文，当时潘院士告诉我的时候也没有特别激动，但是后来他又说了两句话，非常不容易，他说整个《科学》一年只评一篇论文，第二句话亿以前统计下来获得过这个奖的科学家大概有一半的概率获得诺贝尔奖，所以这个奖还是非常有价值的。

　　我们在上面也做了一个星地量子密钥分发，大家会问为什么密钥分发要弄到卫星上去？这个原理，我们地面主要靠光纤，光纤在传输过程中会有衰减，而且每100公里要中转。如果我现在要和美国的领事馆发送密码的话，通过这种方式是不现实的。卫星是唯一组成全球网不可缺少的手段。我们验证了星地密钥分发是可能的。有了第二个实验的基础，我们圆满完成了隐形传态的实验，这个距离也做到了1000多公里，是全世界第一个完成隐形量子态超过1000公里的传输。

　　下面有几张照片，这绿颜色的就是卫星，红颜色的，量子通信相当于把光路给接通了，这个接通的难度是比较大的，因为要找1000公里以外的卫星，要把它找到，而且要跟住。这是演示的过程，天上的卫星过去以后，地面站就可以获得它的密码。这个弄完以后，我们在2017年9月底用这套系统让我们科学院院长和奥地利的科学院院长用这套系统进行了首次全球量子密钥通信，我们为这个也专门请他们在瑞典建立了一个地面通信站。这个做完以后，国家对这方面加大了很多投入，同时也刺激了国际上对量子的研究，欧盟也有很大的投入，美国在2017年10月份就举办了听证会，他们认为美国绝对无法承受在量子技术革命竞争中失败的代价。甚至也有著名的科学家矛头直指他们国会，他说中国五六年前就在搞这个东西，你们认为中国人搞不成，现在他们领先于我们了。但是话锋一转，他又说，我们美国人永远是第一的，只要你给我钱，我们能赶上中国的。

　　这里面有很多非常难的技术，因为今天时间关系，我不可能讲很多，举几个例子。最困难的是卫星出来以后能把它找到，而且非常高精度地跟上，这个技术我们曾经也想过是不是要从国外引进。但是像这样的技术是引不进的，我们开始谈的时候，人家给你说了一大堆，价格很贵，最后人家告诉你这个技术太先进了，我们不可能卖给你中国，这还不是美国的公司，是一家欧洲的公司。但只要自己努力去做还是有办法的。目前做的最好的技术，我们捕获和跟踪的技术，因为国际上没有量子通信卫星，但是有激光通信卫星，这个是类似的，我们对比下来，我们的指标甚至比他们个别的还好，我们现在做了几千次实验都是非常成功的。

　　还有一个是光，我们要接受一个一个光子，我们在地面望远镜要接收到一个个光子，从能量上来说相当于是在月球上划一个火柴我在地面上能看到。对准技术也是一样的，我要从万米高空往地面飞机上不断地扔硬币，要求这个硬币不但能放到地面上旋转的储蓄罐，而且要让硬币的方向比较偏，准确无误地进入投币口，我才能完成这样的通信。

　　大家说你做的这个实验有用吗？我们下面要做的就是从实验到应用，通信卫星轨道太低了，每次实验就是几分钟到十几分钟，如果我们把轨道从500公里提高到上万公里，我们就可以每天提供几小时的通信量，这样对国家很大范围的密码已经足够使用了，当然要做到这个，我们的技术还要进一步提高，比如白天、晚上都要能用，原来的距离只要1000公里，现在要到上万公里，这些相信在国家重大计划支持下还得往前做。这些是指标参数，我就不说了。

　　第二个和大家分享的也是光的探测，也是科学里面非常敏感的，就是引力波的探测，“太极一号”。爱因斯坦当时预测了世界上或者宇宙里面有四种力，唯一的就是引力波没有探测到。一直到2016年美国的LIGO系统测到了引力波，证明了爱因斯坦说的引力波是真实存在的。宇宙里面绝大部分的能量和物质，有的说是暗物质和暗能量占宇宙能量的90%以上，甚至95%，为什么我们看不见？科学家分析很大的原因，我们对引力波的探测不像对电磁波的探测那么成熟，引力波我们几乎还看不到。如果我们能看到引力波了，可能以后这些暗的东西就不暗了。

　　为什么说这是人类对宇宙的认识？为什么我们在美国当时地面已经看到引力波，现在还要到天上去做引力波呢？这个道理也非常简单，引力波和电磁波一样也不同的频段，在地面上因为测量的距离非常远，距离不够远，所以只能看到引力波的高频部分，这要天体发生非常大的变化才能有的，所以地面的系统几年看不到一次信号，绝大部分天体的活动都是在引力波的中长波上面，如果能在天地上建立一个几百万公里的实验平台，那就能看到很多引力波来研究宇宙。

　　引力波的探测原理是什么呢？它也可以通过光来探测，从引力波的原理上讲，引力波一来以后，根据爱因斯坦的广义相对论会让时空进行扭曲，这个方向距离会变短，另一个方向距离会变长，我们要探测引力波就是要探测有没有这种变化产生，这种测量要到什么精度才能测到呢？要到10的负12次方米，可以用激光干涉的原理测量，这也是新的进展。以后在天上测引力波也是要用光的变化，测10的负12次方距离的变化就有可能在天上测到引力波。就是引力波过来以后，这是干涉仪，会发生一边压缩，一边伸长的变化。

　　现在全世界都在做，我们设计了“太极一号”，欧洲人也在做，大家都在准备，真正测到这个还没有到时间。我们“太极一号”8月31日发射的卫星已经测到了100皮米，为引力波测量打下了和国际上同一水平的基础。这里面有一系列光的测量、惯性测量的技术，由于时间关系我就不一一说了。

　　激光干涉仪测量精度是百皮米量级，大概一个原子的大小。引力参考传感器测量精度达到重力加速度的百亿分之一，，微推进器推理分辨率达到亚微牛量级。下面我们还要策划太极二号、太极三号，争取在2030年之前把空间的引力波得到完美的测量。在天上我们要把卫星组成一个等边三角形，卫星之间的距离是300万公里，在300万公里的范围中测出皮米及的变化。到第三阶段，希望到2033年左右完成这样的测试。谢谢大家。

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责任编辑：李昂