作者：王建宇 中科院院士、中科院上海分院院長，上海技術(shù)物理研究所研究員
“捕捉“墨子號”衛(wèi)星上發(fā)出的光子難度有多大呢？舉一個例子，相當(dāng)于我坐在飛機上，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(xiàn)在很多光的現(xiàn)象在那時候已經(jīng)能解釋了，比如光通過一個棱鏡會分出五彩繽紛的顏色。
光通過棱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(xiàn)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。后來物理學(xué)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(xué)說的支持者為此爭論了幾百年。光到底是什么？直到愛因斯坦做完了一個非常有名的光電效應(yīng)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(yīng)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(yīng)實驗。
愛因斯坦提出，光既是粒子又是波。這個想法非常創(chuàng)新，它奠定了我們今天量子力學(xué)的基礎(chǔ)。
愛因斯坦認為，光是一份一份的，分到最后它不能分成半個光子。此外，光是有能量的，能量等于頻率乘以普朗克常量，即E=hv，根據(jù)相對論原理推導(dǎo)，光是有質(zhì)量的。
大家可能會說，我們沒感覺到光有質(zhì)量啊？光只有在運動中才有質(zhì)量，它有運動質(zhì)量，沒有靜態(tài)質(zhì)量。也就是說，光永遠是在運動的。
這個理論奠定了我們現(xiàn)在光學(xué)的基礎(chǔ)，此后我們對光子才有了比較全面的了解。
隨著科技的發(fā)展，現(xiàn)在我們已經(jīng)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(xiàn)在的科學(xué)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(yīng)用很多。比如，空間遙感拍攝地球。我們經(jīng)常在天氣預(yù)報中聽到云圖的概念，云圖是什么？就是太陽光照在地球大氣層上的云層上，云層把太陽光再反射到衛(wèi)星儀器上或者衛(wèi)星的照相機上，衛(wèi)星照相機根據(jù)反射進去的光拍攝的地球表面云的分布圖就是云圖。
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(xué)研究中，光子有非常大的作用。很多生命現(xiàn)象可能在某個時刻發(fā)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(xué)里面非常微弱的信息。
今天我要和大家說的不是上述應(yīng)用，而是另外兩件事，一個是光子怎么在空間量子通信里得到應(yīng)用，另一個是光子今后在深空探測里還有什么應(yīng)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(fā)射了第一顆量子科學(xué)實驗衛(wèi)星，這是全世界第一次把量子科學(xué)實驗搬到太空上去。
2017年1月18日，我們的科學(xué)工程團隊把整顆衛(wèi)星交給科學(xué)家，然后科學(xué)家又經(jīng)過一段時間的實驗，終于得到了學(xué)術(shù)成果。
2017年6月，我們的工程團隊向全世界宣布，我們已經(jīng)圓滿地完成了所有的科學(xué)實驗，量子衛(wèi)星完成任務(wù)了。
世界首顆量子科學(xué)實驗衛(wèi)星：墨子號
但是完成任務(wù)并不是說這顆衛(wèi)星就不用了。科學(xué)家現(xiàn)在還在天天做實驗，不但自己做實驗，還和全世界的科學(xué)家一起來做實驗。
那么大家可能就要問了，量子科學(xué)實驗衛(wèi)星到底是干什么的？
它要完成三個實驗任務(wù)，第一個實驗叫量子密鑰分發(fā)。
量子密鑰是根據(jù)量子力學(xué)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(shè)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里面產(chǎn)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(chǎn)生密鑰。
假設(shè)丙的物理水平很高，他可以把光子偷去拷貝，之后再給乙，是不是這樣丙就有密鑰了？
量子力學(xué)里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(xué)里，一堆量子如果用傳統(tǒng)的辦法去拷貝，拷貝完了以后給第二個人，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(jié)目叫《拷貝不走樣》，拷貝量子就不行，你從第一個拷貝到最后，一定會面目全非。
所以有了這個原理，丙偷了光子拷貝之后再傳出也沒用，甲乙兩人只要對一下里面錯的碼，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(chǎn)生密鑰。
只要上述這兩條做到了，產(chǎn)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(jīng)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(wǎng)，衛(wèi)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，測量以后才確定。但是糾纏現(xiàn)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(yīng)，或者說它們是有一定關(guān)系的。
當(dāng)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(fā)
在地面上，我們已經(jīng)證明了這種現(xiàn)象是存在的，但是到1000公里甚至1萬公里以后，這種現(xiàn)象還存在不存在？所以這顆衛(wèi)星的第二個實驗就是要驗證在上千公里的地方，這種現(xiàn)象是否依然存在。
第三個實驗叫量子隱形傳態(tài)。
前面說了量子不可克隆，不可克隆的結(jié)果是什么？這個系統(tǒng)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(xué)家在20世紀末發(fā)現(xiàn)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(wèi)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(tài)
具體的物理原理，可能我講得不是最嚴謹?shù)?，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(dāng)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(wèi)星是繞著地球轉(zhuǎn)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(wèi)星向地面站發(fā)出光子，然后，當(dāng)它出了地平線以后，我們在地面上馬上要把衛(wèi)星捕獲，捕獲以后還要衛(wèi)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(xiàn)在很多激光通信衛(wèi)星就有類似的功能，但是量子衛(wèi)星要實現(xiàn)這個功能難度更大。
難在什么地方呢？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(wèi)星上面產(chǎn)生一個糾纏光量子對，要把它發(fā)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(dāng)于我坐在飛機上，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，這么小的光子到底靈敏度要多高才能捕捉到？我們進行了計算，地面一臺望遠鏡要檢測到天上來的一個光子，靈敏度要多高呢？相當(dāng)于一個人在月球上面劃一根火柴，它燃燒起來，地面這臺望遠鏡要能看到，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(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，然后把密鑰從一個地方發(fā)到另一個地方。我們當(dāng)時做的時候，在地面設(shè)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，一個在云南麗江，另一個在北京。
光學(xué)地面站分布
為什么要這么多的地面站？這是為了增加實驗的時間，因為我們要做第二個實驗，衛(wèi)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(xué)實驗要創(chuàng)新，要發(fā)現(xiàn)未知的東西，但是做工程要確保成功。所以，我們當(dāng)時設(shè)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。這樣我們的保險系數(shù)就提高了一倍。
同時我們又在北京設(shè)一個地面站，為什么呢？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(fā)出來，所以北京專門設(shè)了一個站。
我們還有第三個實驗，隱形傳態(tài)，是從地面把信息發(fā)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(xué)現(xiàn)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(shè)了一個發(fā)射網(wǎng)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(fā)表在《科學(xué)》雜志上，題為《基于衛(wèi)星的糾纏分發(fā)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(xiàn)象是存在的，當(dāng)然現(xiàn)在又有人提出來你們能不能更遠。
另外兩篇關(guān)于密鑰分發(fā)和隱形傳態(tài)的文章發(fā)表在2017年8月的《自然》雜志里。當(dāng)時這三篇文章的發(fā)表在國際上還引起了轟動。
三篇論文分別發(fā)表在《科學(xué)》和《自然》雜志上
《科學(xué)》雜志每年都要評選一篇最佳論文，我們非常榮幸，這篇《基于衛(wèi)星的糾纏分發(fā)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(xiàn)了國際上第一次洲際的量子密鑰通信，奧地利科學(xué)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(xué)會的十大科技進展之一。
2017年9月，中國與奧地利實現(xiàn)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(xué)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后、70后和80后。但是我們第二層次的主任設(shè)計師，也就是具體負責(zé)項目的幾乎全部是80后。
我還記得一件事，曾經(jīng)有個美國來訪者就問我是美國哪個大學(xué)畢業(yè)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(xué)家是從歐洲留學(xué)回來的，其他人都是在國內(nèi)培養(yǎng)的本土科學(xué)家。
然后，我和領(lǐng)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(xué)畢業(yè)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(xué)家是從歐洲留學(xué)回來的，其他人都是在國內(nèi)上的大學(xué)。
任何的科學(xué)實驗都是要應(yīng)用的，凡是通信衛(wèi)星都是要時時刻刻能用?，F(xiàn)在我們做了一個低軌的太陽同步軌道衛(wèi)星。從事衛(wèi)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(yīng)用。
為此我們要設(shè)計一個高軌衛(wèi)星，我們要把衛(wèi)星送到36000公里的高度上去。說起來好像很簡單，但從科學(xué)技術(shù)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(xué)角度來說，我們現(xiàn)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(biāo)差不多還要提高一個數(shù)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，所以大家可以想象這個難度之大，但是我們在國家的支持下已經(jīng)在準備了。
空間光子通信
以上是量子衛(wèi)星的情況。光子還有什么用呢？再下一步，我們要邁向深空。
大家知道現(xiàn)在深空探測發(fā)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。
在月球背面降落以后，它會遇到什么困難呢？因為月球背面永遠不會對著地球，它必須通過一個“中轉(zhuǎn)人”才能把信號發(fā)回來，所以上面就有一個中轉(zhuǎn)衛(wèi)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(shè)計了一個儀器，光譜分辨率和空間分辨率都很高。
然后，科學(xué)家告訴我，這個儀器分辨率高是很好，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(xiàn)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，到了這么遠的距離以后，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(shù)據(jù)。假設(shè)發(fā)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后才能慢悠慢悠地傳回來。
深空光子通信預(yù)期目標(biāo)
如果進行科學(xué)探測，這樣是不行的。所以我們現(xiàn)在提出一個指標(biāo)，比如說每秒鐘要傳1G的數(shù)據(jù)，如果用傳統(tǒng)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(biāo)。
假如把信息全部調(diào)制到光子里，用光子的方法能不能實現(xiàn)呢？我們預(yù)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(xiàn)這個目標(biāo)。這是我們光子的未來。
做深空探測，探測器很重要。我們現(xiàn)在要探測一個個光子，在“墨子號”上用一般半導(dǎo)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(xiàn)在科學(xué)家研制出了超導(dǎo)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(dǎo)材料溫度變化以后，導(dǎo)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，之后讓它工作在超導(dǎo)區(qū)，再將一個光子打在上面，一個光子的能量就會使探測器發(fā)熱，就會跑到非超導(dǎo)區(qū)，這樣就能產(chǎn)生一個脈沖。
高效單光子探測技術(shù)
現(xiàn)在，我們的科學(xué)家已經(jīng)能做出國際上最好的超導(dǎo)探測器，單光子探測技術(shù)也將成為未來深空探測的非常重要的技術(shù)。
經(jīng)歷了這些年的工作，我有一些體會。第一，原創(chuàng)的科學(xué)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(yōu)秀的科學(xué)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(fā)展非常重要。量子衛(wèi)星有很多風(fēng)險，但是我們國家的領(lǐng)導(dǎo)下定決心讓科學(xué)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，但是由于種種原因沒有做成。
第三，做這樣一件事情是高技術(shù)的結(jié)合，不是一兩個科學(xué)家能做成的，需要大團隊作戰(zhàn)。我們當(dāng)時做這件事，動員了科學(xué)院十幾個研究所，把最優(yōu)秀的、最強的力量結(jié)合起來才做成的。
最后一點，科學(xué)團隊和工程團隊必須要互補?？茖W(xué)家有很多好的想法，他要通過工程師來實現(xiàn)。我有時也很自豪地說，作為工程團隊，我們實現(xiàn)了科學(xué)家的夢想。
謝謝大家！
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