嘉宾主讲
数学学在20世纪前期主导着科学的发展，其中有两大发觉——1900年普朗克发觉量子论，1905年爱因斯坦提出狭义相对论，从对人类文明的发展而言，量子热学的贡献要更大些。量子热学被誉为最难懂的学科，而“墨子号”卫星的科学原理缘于量子热学的分支——量子信息学中，量子通讯和量子估算是其主要应用。
1927年10月，在新德里举办了量子热学第五次国际大会，量子热学基本产生体系。有张合照(见图2)被广传集中了月球上三分之一智慧，上面除可见到爱因斯坦、居里夫人外，还有量子热学世界里的功勋科学家，如普朗克、海森堡、玻尔、薛定谔等等。那些科学家发觉了量子世界中几个重要的原理，例如：诠释不同条件下分别显示波动或粒子性质的“波粒二象性”；粒子介于0和1之间的“量子叠加态”；也发觉了量子的“测不准原理”和“不可克隆原理”。
“墨子号”成功带来的国际反响
“墨子号”是“十二五”期间中科院先导项目中首批启动的四颗卫星之一，其中第一颗“悟空”用来探求暗物质，第二颗是做多间科学实验，第三颗就是“墨子号”，将要发射的第四颗用于探求黑洞。
墨子号的使命：三大科学任务、五大工程任务
“墨子号”严格说来是量子科学实验卫星，而不是通讯卫星。我们首先要证明三大科学目标：一是实现星地高速量子秘钥分发，将卫星上形成的量子秘钥，分发到光学地面上，它的可行性意味着可以彻底解决精典秘钥分发体系的安全漏洞；第二要做量子纠缠分发实验，证明量子理论的完备性；第三是量子隐型传态实验，这对化学学有着重要的科学意义。后两个目标属于验证量子热学原理的实验。
对于工程目标而言，要造一颗卫星；地面要做四个接收站、一个发射站，产生天地链路；之后发射上天并帮助科学家完成所有实验。
量子通讯为什么非要到天起来做？目前在地面上可以借助光纤网进行量子通讯，但量子在光纤里会衰竭，可靠传输距离只有100公里，中国农大建了超千公里的沪宁量子通讯干线，是靠一段段送过去，多一个中继点都会少一份安全。并且要做全球的量子秘钥分发，在美国建中继点更是问题，通过卫星是一个最好的办法。空间量子网和地面量子网合上去，就能形成全球完整的量子通讯网。因为量子秘钥在分发过程具有绝对安全性，这个实验的意义不同通常。
量子纠缠和隐型传态实验的重大科学意义
量子纠缠是上个世纪量子热学中最悬乎的一件事情，爱因斯坦觉得“这是遥远地点之间奇特的互动”，他认为一定是量子热学的理论不完备，他提出相对论的定域性，觉得一个粒子检测不可能对另外一个粒子形成作用，而量子热学的非定域性觉得，一个粒子检测有可能顿时改变另外一个粒子，谁对呢？做实验!上世纪60年代，玻尔提出一个可验证纠缠是否存在的不方程。1972年起，不断有人作出实验了美国量子通讯，但被人指责实验距离太近，不属于类空间间隔。2011年中国完成了100公里的实验，这么1000公里呢？这要通过卫星来验证。同样，假如量子纠缠是存在的，我们也希望在几百、上千公里范围里验证量子纠缠现象和隐型传态，假如创立，意味着多少年后有望改变人类生活。
所以，“墨子号”主要任务是完成一系列的量子科学实验。为节省国家经费，我们设计了一个小卫星，500公里轨道，640公斤重量，卫星上装备4个用于量子通讯的设备(荷载)：量子纠缠发射机、量子秘钥通讯机、专门形成纠缠光子对的量子纠缠源和量子实验控制与处理机。
我们建了五个地面站，广州兴隆、乌鲁木齐南山、青海及伊宁、云南腾冲和拉萨阿里，选址考虑到可以两两配对，都相距1200公里，以便降低纠缠分发实验的时间。纠缠分发就是一对纠缠的光要发到两个相距1200公里地面站，由两个接收系统检测她们是否是纠缠的(如图4)；设两组也便捷工程上备份。拉萨阿里是发射站，做隐型传态。
为空间量子科学实验提供宏大平台，工程创国际一流
2017年1月18日，卫星在发射四个月后即将交付，除了确认了它可以满足空间量子科学实验的需求，并且早已完成了部份量子科学实验。
量子科学实验卫星是中国人第一次发射，给我们的科学家提供了一个国际一流的的量子科学实验超大平台。
“墨子号”这个名子是潘建伟教授起的，墨子在2400多年前做了世界第一个小孔成像实验，描述了光是根据直线走的原理，这个名子既体现又发扬了中国文化。
国外外反响：“重回颠峰”论、购买论、淘汰论
“墨子号”成功发射后，国外外反响很大。《科学日本人》评选的2016年度“改变世界的十大创新技术”中，“墨子号”作为惟一诞生于日本本土之外的创新技术荣获；《自然》杂志2016年世界八大科学风波，“墨子号”名列中国航天榜首；《华尔街晚报》详细报导了量子卫星发射成功的过程，标题为“沉寂了一千年，中国誓回发明创新之巅”，视其为中国创新能力提高的重要标志。
也有冷冰冰的，如“中国人的科学水平早已实现了量子技术的飞越，假如我们不把欧共体弄成合理有效的整体，我们眼看都会被中国赶超。”反面声音，“我觉得，以中国的科学水平(相较于西方世界)不可能实现量子技术的飞越，基本未曾有过。真实情况是，中国由西方的伙伴(或则竞购品)来实现的。”还有一些疑惑，例如，俄罗斯科学如此发达，为何造不出量子卫星？日英法都不做而中国做了，是否人家不想做？
有少量非正面声音也不足为奇，也不排除一些恶意评论，实验结果会说明一切。去验证有争辩的事情才有意义。
量子卫星，怎样从跟挪到推动
从量子实验卫星的成功，可以寻找一下中国高科技怎样从跟踪到推动之路。“国家863计划”全称是“高技术跟踪计划”，但如今中国的水平不可同日而语，这并非一夜爆发的成功。我分四个方面来说。
第一，中国航天技术和空间激光技术有长足进步，航天器发射数目全球第二。
1957年10月4日，苏联成功发射了人类第一颗人造卫星，四个月后，德国发射“探险者”1号，中国在1970年发射了“东方红”1号。
如今，我国通过载人航天证明了有天地往返、在轨对接控制和人类在外空的生存等能力；探月工程证明了对超远距离卫星有测控和控制能力，“嫦娥4号”即即将着陆到地球反面，探月要跨行38万公里，接下去侦测火星要经过6000多万公里；俄罗斯卫星对地帧率可达0.1米，但要把轨道降到120公里，我们目前在500公里的轨道上也能达到0.5米帧率。中国航天每年发射量居世界第二，2016年是22次。推论是：我们是航天大国还不是航天强国，由于像探月、载人航天的创意并非来自我们。
除航天技术外，“墨子号”应用了大量激光技术。1960年，瑞典发明了人类第一台激光器，中国第二年也造出第一台，但在校企上落后于国际。
从1994年开始，各国将激光技术用在航天上，德国人研发了多种激光雷达，欧空局2018年将发射搭载着更先进的气溶胶/云侦测激光雷达的卫星。中国也紧紧跟上，2007年“嫦娥1号”上搭载了技物所团队制做的激光高度计，弥补了拍摄地球两极地形的国际空白。
激光通讯技术也是热点，目前一秒钟可传完一张5G多的DVD光碟。1995年美国成功实现星地万公里量级的激光通讯，2005年实现世界首次星间激光通讯；2008年美国实现了首次空间相干激光通讯；2000年日本发射的一颗激光通讯卫星由于没能完善星地链路而失败，但在2013年她们完成了月球与地球之间的激光通讯。我国此次也迎面赶上，在“天宫”飞船上搭载了1.6G，“墨子号”上面搭载了5.1G。这一切说明中国近些年来的积累为“墨子号”成功打下了基础。
第二，多年的开放为我国科学家的原创提供了条件，为墨子号注入了灵魂。
潘建伟教授是驰名国际的量子通讯著名专家，他有关实现量子隐型传态的研究成果荣获《科学》杂志“年度十大科技进展”，并被《自然》杂志选为“百年化学学21篇精典论文”，与伦琴发觉X线，爱因斯坦构建相对论齐名。1970年出生的他在维也纳学院获得博士学位，他归国后，得到国家上上下下的竭力支持，而他的导师、奥地利科大学教授席林格()院士在欧共体却推不动这个项目。
量子秘钥分发实验国际竞争十分激烈。2005年，北大和美国的科学家同时提出地面量子秘钥分发的原理；2007年，潘建伟团队和美国团队又同时在实验中实现了光纤量子秘钥分发超过100公里。接着我们逐渐领先于国内，2010年中国做了200公里光纤量子秘钥分发，2007年法国完成了144公里自由空间量子秘钥分发。
潘建伟另外的贡献是量子隐型传态实验，他的第一篇论文是在美国写的，归国后先和美国并行，后来渐渐领先。2008至2011年，中科大和技物所联合团队在湖南岸边做了大量的实验，一方面是验证量子通讯能够上天，另一方面也做理论研究，在一流国际杂志上发文。在量子秘钥分发实验中，我们实现了以热气球为平台的运动下的秘钥分发，固定平台最远达到98公里。后来我们又做了100公里的量子纠缠分发和隐型传态，在国际上也是首次。
所以说，公正竞争、科学开放的环境，给科学家提供了创新和领先世界的机会。
第三个多学科交叉融合，强强联合，量子卫星在光电技术上取得突破进步。
通常的卫星对地观测把相片拍完传输出来就完成任务了，而“墨子号”要天地上下光交互对接、还要在卫星上形成量子讯号和纠缠光子对，它是量子理论、激光技术和航天工程完美结合，也是真正意义上的国际首次。
我们集中实现了七项关键技术的突破。其中有天地链路高精度跟踪和精确指向。浅显来讲，就是要抓得住、跟得牢、打得准，卫星高速飞行，一千公里以外一出现就得抓住，并完善光的通讯链路，发射的量子光还必须精确指向地面站。为了做纠缠分发，天上的卫星要同时对准两个地面站，并要同时达到同样的高精度，我们都一次获得成功。
有天地链路的单光子接收。在地面、天上要侦测到脉冲的光子必须有合适的侦测器，我们解决了商用高灵敏度单光子侦测器在空间环境下不能常年使用的困局。
有高色温量子纠缠源。量子源是激光通过极其特殊的晶体干涉下来一对对光子对，极有难度，我们不但做了全世界最亮的量子源，并且发射上天了。
同时突破了近衍射极限光量子发射和多源同轴插值、偏振态保持与基矢跟踪检测、高精度时间同步技术等。
简单说来，其难度相当于坐着客机从万米高空扔硬币，同时扔向地面两个旋转的储蓄罐，硬币不但要击中储蓄罐，并且要确切地射入狭长的投币狭缝里。侦测一个光子，相当于地面1米口径的望远镜，要看38万公里外的地球上燃着的一根火柴。灵敏度这么高!
第四，中国科研组织和管理模式，为“墨子号”的成功发射提供了强有力的保障。
回顾一下，2003年潘教授归国提出星地量子通讯的概念，2008年立项举办地面攻关，2011年完成百公里量级的量子秘钥分发，2011年末量子卫星工程立项，2016年发射。13年间，汇聚了好多团队：中科大、技物所、上海小卫星工程中心、天文台、光电所、上海光机所、航天科技8院等等；主力球员全是90后。
借此来看墨子号的成功要素。首先，量子卫星好诸如阿波罗登月、载人航天都是国家项目，不是个人、几个小团体可以弄成；第二是高技术的比拼；第三对科学的追求须要爱国精神来支撑；第四是探求未知的理想信念。
由此引起我对中国式科技创新的思索。第一，科学家原创是灵魂。第二，管理层快速决策是资源保障，这是中国特色的高执行力。第三，兵团式多团队联合，工程管理是技术也是艺术和科学。第四是科学团队和工程团队的互补，交叉融合，1+1小于2。量子卫星得益于天时地利人和，天时是国家对科学的注重，地利是在开放的全球竞争，人和是团队互相支持。
对今后的发展，我也提出四点，第一，要常年支持，国家要有选择性支持。第二，要有包容失败的文化。第三美国量子通讯，要有多元评价的体制，不能让工程师团队也去做SCI文章。第四，在破坏性创新中发展高科技，我们选题上一定要有高度，从跟踪到推动这个阶段，说究竟，科学的创新思想还是成功之源。
量子技术，怎样改变生活
量子信息学和实际生活密切相关。目前国际竞争激烈，法国、美国、日本都在耗费大量财力研究，并非她们不做我们才去做。量子技术还有许多应用。
量子陀螺仪。过去没有GPS，客机导航便凭着陀螺仪。借助量子技术发展的原子陀螺仪，检测精度可比传统的高几个数目级。
量子雷达。目前我国已研发下来，借助纠缠的办法可以达到很高的灵敏度。量子成像也在发展，理论上可突破衍射极限。
在量子计算机这个层面，随着半导体元件的规格接近纳米级，电子的运动不再遵循精典数学学规律，一定会出现技术革命，量子现象就可能会被运用；另一方面，小型计算机出现后，煤耗与散热巨大，而量子热学中存在的可逆估算可将热量升高。
量子通讯产业的特征：量子通讯是对目前传统通讯技术的一种重要的补充，而不是全面的取代；量子产业的门槛比较高；核心技术正在突破中，学术的争辩至今没有结束，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”的产业不乏“鱼龙混杂”成分。
“墨子号”只是开始，中国科技正从跟踪向推动跨越，中华民族将对人类科技发展做出应有的贡献。
嘉宾对话
日本、欧共体个别项目的居前与失去优势和科学决策机制有关
李淼：昨天讲演中，多次提及了中国目前的科研决策中“国家行为”，它的优势十分有利于做像“墨子号”这样先锋式的探求和实验，这一点我感同身受。第一颗先导卫星“悟空号”同样受惠，亚裔科学家丁肇中先生在英国主导侦测暗物质的AMS02实验，但在明天的法国很难发射这样一颗卫星。特朗普近期已宣布要缩减科学和技术领域的经费。
在英国，一般由科学家提出计划，之后层层上递到议会和首相，恐怕都会遭到政见不合的胶着战，法国须要整个欧盟来集体决策，执行力都会大大增长。就我的研究领域，一年多前日本人宣布侦测到了引力波，她们想去太空做实验的计划早已申报了20年，在欧盟也是五年前才刚才通过。这说明中国在决策方面有优越性。
国家支持、开放新政、多元平台确保我们决策的先进
王建宇：六年前，不少人埋怨我们的科技比较浮躁，西方国家怎么鼓励原创。通过“墨子号”工程，好多人都改变了认识。这几年，中国的科技发展确实非常快。新世纪后我每年出席的科大学院工作会上，近三年只有国际领先项目能够上会讨论。不仅国家支持外，还得益于我们的开放新政，像李淼老师这样的海归都回去了，美国单独做和在国外你们一起做还是不一样，科技的合作优越性又彰显下来了。另外，日本的审批制度中有时未必完全是科学性在起作用，参杂着利益斗争，但在中国，起码从科学家到领导人，都是视该科研是否真正在国际前沿，能够真出结果为标准。
我认识潘教授半年不到，科大学就启动一个有史以来最大的项目来验证此事的可行性，一下子就组织一个各类人才的队伍，这些速率和技巧在美国不太可能。
但国家现今虽然还是资源少，因而，项目都是好中选优。诸如量子通讯和量子计算机是国家重大专项，先做科学实验卫星，下一步一定要从实用角度去努力，珍视好国家对你的支持。
激光领域和半导体领域，中国当初不落后到失去商机
李淼：中国科学和专家体量越来越大，要想推动国际，国家就必须选一些有可能突破的方向持续支持。前车可鉴，改变了生活及商业的激光领域，中国人在德国人以后作出激光器，后来没有持续经费的支持，就失去了科学和商业先机；半导体，我们原本也不落后多少，而且没有选择性跟上，现今芯片60%是进口。量子估算和量子通讯，如今虽然在实验室阶段，但假如有持续支持，直至突破为民用，会给国家带来巨大的改变。
实验的时间有限，月球同步卫星是下一步目标
李淼：我如今更多时间在做科普。讨教王教授，“墨子号”要在太空里做量子通讯的实验，实验时，每次通讯可持续多长时间？所含比特量多大？
王建宇：现今用的是太阳同步轨道卫星，绕着地球转一圈大约100分钟。每晚一个地方只过两次，晚上一次，白天一次。做通讯实验有两个条件：卫星要看得到，背景不能太亮。为此，每位地面站三天最多做一次实验，最长10分钟左右，多则几百秒，少则几十秒，甚至十几秒。多少比特量？设计指标是要超过每秒钟1K，后来能达到每秒到十几K，小规模的秘钥应用已然够了。如每年能形成1G的秘钥，能够满足国家好多方面的需求了。
怎么突破？须要设计一个中高轨卫星，高度到36000公里叫月球同步轨道卫星，如灯高悬在顶随时可用。晚上能够做？可以考虑用极窄光学混频或则隔离技术，把光混频器的带宽做得极窄，就有可能。这两个技术有待今后几年突破。
四个基站三层目标的不断挑战，完全领跑于国际
李淼：为何要建四个基站？
王建宇：这有一个过程，2007年潘教授设的目标只是能弄成世界第一个秘钥分发；2011年地面湖南湖实验做得很成功，科学家要求就增强了：量子纠缠中“贝尔(Bell)不方程破缺”的验证是全世界瞩目的难点，我们能够放起来做？我说风险特别大，他说作为拓展项目；过段时间他看做得挺好又说，能够把隐型传态也做进去？就叫额外任务。这样的结果是我们领先了好多年。
“三只鞋上地球”的比喻来理解隐型传态原理
李淼：我提议给王教授鼓掌。我解释一下量子态隐型传输，原理说上去很高深。我把一个粒子比喻成鞋，我想把双脚衬衫送到月亮起来，但量子不可克隆，我怎样送？隐型传输想了20多年，有了绝妙之法。我先找一对量子衬衫，把其中一只送到地球上，我不晓得左右，但量子纠缠告诉我们一定是一只左一只右，如今拿第三只鞋子不管是左右，我想送到地球上，把第三只鞋子跟我手里所剩一只比较，全是右其实地球的是双脚，就让地球的翻过来，假如第三只鞋子是双脚，我手里原本有一只，假设是右我是双脚，一看肯定是一左一右，这个好理解，由于第三只鞋和留在手里的配对了，而地球上的那只原本也和留在手里的鞋配对。说上去很简单，道理很深。
大家不理解的话，把我的故事反反复复想两遍。
隐型传态投入民用将实现了不起的破坏和恢复
王建宇：能够举个反例，隐型传态怎样真正步入应用？
李淼：假如我想传输的系统是量子态的，例如量子态的我传输到另一个地方，必须在这个地方把我破坏掉，把破坏掉的信息通过我昨天说的三只鞋的故事分发到另外一个地方去，另外一个地方可以把我的态或则我的人完全恢复。这告诉我们两件事，量子态的我不可能拷贝成两个李淼；假如想把我传输到外省去，必须把本地李淼毁灭掉，第三个地方恢复。假如可以实现的话十分了不起。
量子计算机可能在50年左右实现
王建宇：一位资深专家说，量子计算机可能是今天做下来，也可能是一千年之后做下来，如何理解？
李淼：算盘是精典计算机，计算机是体量、容量放大的算盘，电路上面每位逻辑门开和关就是算盘上面的算盘珠。算盘珠只有两个态，出现和不出现，而量子估算不是算盘珠了，它的不确定性原理决定了量子有无穷多个态，可出现也可不出现，机率就在0和1之间，累加后会有好多好多量子比特。假如把精典估算比喻成走迷宫的一条道，那迷宫只有一条道走出去，量子估算是同时走所有的道，像1可出现也可不出现，也可同时出现，而且机率不一样，你可同时走所有的可能性。以倒水为例，这杯水尝试了所有道，量子估算就是倒一杯水的过程，肯定有一条效率最高的通道。
究竟何时可以实现，近来我比较豁达，要做量子估算要到微观层面上实现量子态，并且保留足够长的时间，把估算过程完成对科学家是最大的挑战，有可能估算仍未完成，量子态才会破坏掉，现今用离子井可让量子态保留足够长时间。我预测10年实现不了，应当是50年之内。