免费下载！
[!--downpath--]捕捉“墨子号”发出的光子难度有多大呢？
相当于我坐在客机上，
拿着硬币一个个往下扔，
要扔到地面的一个储蓄罐里，
储蓄罐有很细的投币口，
硬币还得投进去才行。
我们做到了。
文丨王建宇中国科大学教授
本文转载自陌陌公众号“格致论道讲堂”（ID：），原文首发于2022年10月13日，原标题为《在太空中举办量子实验有多难？这相当于在客机上往地面的储蓄罐里扔硬币》，不代表瞭望智库观点。
光既是粒子又是波
我们生活的世界七彩斑斓，全部是靠光的作用。
人类很早就开始研究光。17世纪的时侯，牛顿就专门研究过光。他觉得，光是一颗一颗的，即光的“微粒说”。在他的研究下，如今好多光的现象在那时侯早已能解释了，例如光通过一个棱镜会分出七彩斑斓的颜色。
▲光通过棱镜会分出七彩斑斓的颜色
然而这个理论解释不了光的衍射、干涉等现象。而惠更斯在1690年出版的《光论》一书中即将提出了光的波动说，完善了知名的惠更斯原理。后来化学学家麦克斯韦提出了一个麦克斯韦等式组，强调光是电磁波的一部份，支持了光的“波动说”。
到底光是粒子还是波？两个学说的支持者因此争辩了几百年。光究竟是哪些？直至爱因斯坦做完了一个十分有名的光电效应实验，这个问题才有了答案。你们晓得爱因斯坦的相对论，但对他的光电效应实验可能不太清楚。实际上，爱因斯坦获得第一个诺贝尔奖不是由于相对论，而是由于光电效应实验。
爱因斯坦提出，光既是粒子又是波。这个看法十分创新，它奠定了我们明天量子热学的基础。爱因斯坦觉得，光是一份一份的，分到最后它不能分成半个光子。据悉，光是有能量的，能量等于频度除以普朗克常量，即E=hv，按照相对论原理推论，光是有质量的。
你们可能会说，我们没觉得到光有质量啊？光只有在运动中才有质量，它有运动质量，没有静态质量。也就是说，光永远是在运动的。这个理论奠定了我们如今光学的基础，随后我们对光子才有了比较全面的了解。
随着科技的发展，如今我们早已可以侦测单个光子了。光子用嘴巴是根本看不到的，并且用现今的科学仪器，例如光子侦测器，就有可能侦测到一个个从不同地方来的光子。
光子的应用好多。例如，空间遥感拍摄月球。我们常常在天气预报中看到云图的概念，云图是哪些？就是太阳光照在月球大气层上的云层上，云层把太阳光再反射到卫星仪器上或则卫星的拍照机上，卫星拍照机按照反射进去的光拍摄的月球表面云的分布图就是云图。
假如拍照机的灵敏度足够高，我们有可能看见一个一个光子，也就有可能得到最灵敏的图象。
在生命科学研究中，光子有特别大的作用。好多生命现象可能在某个时刻发出特别微弱的光子。有了光子侦测器，我们就可以侦测一些生命科学上面十分微弱的信息。
明天我要和你们说的不是上述应用，而是另外两件事，一个是光子如何在空间量子通讯里得到应用，另一个是光子今后在深空侦测里还有哪些应用，也就是所谓的光子通讯。
空间量子通讯
2016年8月16日，我国发射了第一颗量子科学实验卫星，这是全世界第一次把量子科学实验迁往太空起来。
2017年1月18日，我们的科学工程团队把整颗卫星交给科学家，之后科学家又经过一段时间的实验，总算得到了学术成果。
2017年6月，我们的工程团队向全世界宣布，我们早已完满地完成了所有的科学实验，量子卫星完成任务了。
▲世界首颗量子科学实验卫星：墨子号
并且完成任务并不是说这颗卫星就不用了。科学家现今还在天天做实验，不但自己做实验，还和全世界的科学家一上去做实验。这么你们可能就要问了，量子科学实验卫星究竟是干哪些的？
它要完成三个实验任务，第一个实验叫量子秘钥分发。量子秘钥是依据量子热学的原理，提供一种不可破译的秘钥。它在化学原理上是怎样保障的呢？第一个原理就是光子的不可分割性。爱因斯坦说光子是一份一份的，你不可能领到半个光子。
甲乙两方送秘钥的时侯，甲送出10000个秘钥给乙，乙假定收到了1000个，这时侯还有一个丙专门要偷秘钥，他可能水平也挺高，偷了2000个、3000个甚至更多，并且光子是一份一份的，所以乙领到的光子，丙再有能耐也是拿不到的。假如在乙和甲共有的光子上面形成秘钥，丙偷得再多也没用。
所以这是第一个原理，就是光子的不可分割性，被泄露的光子不形成秘钥。假定丙的数学水平很高，他可以把光子偷去拷贝，然后再给乙，是不是这样丙就有秘钥了？
量子热学上面还有一个十分知名的原理，叫量子不可克隆原理。在量子热学里，一堆量子假如用传统的办法去拷贝，拷贝完了之后给第二个人，对不住，你不可能全拷贝对，大约有1/4一定会拷贝错。
有一个电视节目叫《拷贝不走样》，拷贝量子就不行，你从第一个拷贝到最后，一定会面目全非。所以有了这个原理，丙偷了光子拷贝以后再传出也没用，甲乙二人只要对一下上面错的码，超过多少就不用了。所以第二个原理就是被拷贝的或则被克隆的光子不形成秘钥。
只要上述这两条做到了，形成的秘钥在传输过程中一定是安全的。这件事我们在地面早已做了好多了，并且在地面上要把量子秘钥传得很远是有困难的。假如我们要构建一个全球的量子网，卫星是一个最有效的办法。
第二个实验极其神奇，就是所谓的纠缠原理。上面说量子不去检测，它是不确定的，检测之后才确定。并且纠缠现象又告诉我们，两个量子之间在一些特殊情况下，它们之间互相有感应，或则说它们是有一定关系的。
当检测一个是0或则是1的话，另外一个一定立刻就确定出来。这个事情有特别大的争辩，爱因斯坦对这点也是有疑义的。
▲量子纠缠分发
在地面上，我们早已证明了这些现象是存在的，然而到1000公里甚至1万公里之后，这些现象还存在不存在？所以这颗卫星的第二个实验就是要验证在上千公里的地方，这些现象是否仍然存在。
第三个实验叫量子隐型传态。上面说了量子不可克隆，不可克隆的结果是哪些？这个系统就是孤立的，和外界无法交流。自然界是十分奇妙的，它肯定有量子交换的方式。
科学家在20世纪末发觉量子纠缠是存在的，它的量子信息就可以通过纠缠的方式传递出去。所以我们第三个实验就是要验证地面到卫星相距上千公里这些信息的传递是不是可行的。
▲量子隐型传态
具体的数学原理，可能我讲得不是最严谨的，但我们的工作是要把潘建伟教授的看法迁往天起来，我们把天空和大地——几千万平方公里弄成一个大实验室，来做他的实验。
当时我们列了六七件最难的事儿，我给你们说其中两件比较难的事。第一件，我们要把天上的一个个光子要打到地面来，或则地面一个个光子要打到天起来，我们要进行捕获跟踪。
你们晓得卫星是绕着地球转的，它每秒钟飞行的速率大约是7公里多。也就是说，在一个距离地面1000公里的、速度为每秒7公里多的、飞快飞过的卫星向地面站发出光子，之后，当它出了地平线之后，我们在地面上马上要把卫星捕获，捕获之后还要卫星和地面站的光轴对准就能开始做实验。
这个在国际上有先例吗？有。例如现今好多激光通讯卫星就有类似的功能，而且量子卫星要实现这个功能难度更大。难在哪些地方呢？激光通讯试验都是强光试验，光越强越好，讯号来了马上能解下来，而我们要捕获的是极其微弱的光子。
据悉，为了要做第二个实验，就是量子纠缠实验，我们要在卫星前面形成一个纠缠光量子对，要把它发到两个相隔1000多公里的地面站。我们要一对二，这个也是全世界没做过的。
这个难度有多大呢？举一个反例，相当于我坐在客机上，拿着硬币一个个往下扔，要扔到地面的一个储蓄罐里，储蓄罐有很细的投币口，硬币还得投进去才行——我们做到了。
▲从客机上扔硬币示意图
第二件，那么小的光子究竟灵敏度要多高能够捕捉到？我们进行了估算，地面一台望远镜要测量到天上来的一个光子太空物理实验，灵敏度要多高呢？相当于一个人在地球里面划一根火柴，它燃烧上去，地面这台望远镜要能看见，这样我们能够捉住一个个光子。
▲单光子接收侦测
我们可以在全球构建一个卫星网路，之后把秘钥从一个地方发到另一个地方。我们当时做的时侯，在地面设计了5个地面站，其中４个是做接收的，一个在山西，一个在西藏昌都，一个在广东拉萨，另一个在上海。
为何要如此多的地面站？这是为了降低实验的时间，由于我们要做第二个实验，卫星必须掠过两个地面站之间，我们能够做实验，能做实验的时间是十分短的。
做科学实验要创新，要发觉未知的东西，并且做工程要确保成功。所以，我们当时设了山西和喀什，这一对是可以做实验的；喀什和拉萨这一对也是可以做实验的。这样我们的保险系数就提升了一倍。
同时我们又在上海设一个地面站，为何呢？我们要做地面的密码传递、保密通讯实验，上海是我们的首都，自然而然指令要从那边发出来，所以上海专门设了一个站。
我们还有第三个实验，隐型传态，是从地面把信息发到天起来，我们找了一个特别高的地方。
由于是第一次做，我们对好多科学现象不清楚，肯定要找一个比较有利的地方。大气对光有很大的影响，所以我们就到海拔5000多米的阿里的一个高山上设了一个发射网点。这样我们就弄成了实验。
2017年初，我们基本上做完了实验。我们的三个实验弄成了三篇论文。一篇以封面文章发表在《科学》杂志上，题为《基于卫星的纠缠分发距离超过1200公里》，确确实实验证了在1000多公里的距离，量子纠缠现象是存在的，其实现今又有人提出来大家能不能更远。
另外两篇关于秘钥分发和隐型传态的文章发表在2017年8月的《自然》杂志里。当时这三篇文章的发表在国际上还造成了震惊。
▲三篇论文分别发表在《科学》和《自然》杂志上
《科学》杂志每年都要推选一篇最佳论文，我们特别荣幸，这篇《基于卫星的纠缠分发距离超过1200公里》的论文获得了2018年克利夫兰奖。
2017年9月，我们实现了国际上第一次洲际的量子秘钥通讯，法国科大学教授和中科院白春礼教授用量子保密的视频电话进行了通话。这个风波被评为2018年日本数学学会的十大科技进展之一。
▲2017年9月，中国与俄罗斯实现洲际之间的量子保密通讯
你们可能会问，做这个工作的是不是都是上了年龄的科学家？我介绍一下我们的团队，我大约岁数是最大的，我们一级的总（工程）师有60后、70后和90后。并且我们第二层次的校长设计师，也就是具体负责项目的几乎全部是90后。
我还记得一件事，当初有个日本来访者就问我是日本那个学院结业的？我们的团队成员是不是都是从英国回去的？我告诉他，我们这个团队，不仅首席科学家是从法国留学回去的，其他人都是在国外培养的本土科学家。
之后，我和领事馆的人碰面聊了聊，临别的时侯，有个人就问我是日本那个学院结业的？我们的团队成员是不是都是从英国回去的？我告诉他，我们这个团队，不仅首席科学家是从法国留学回去的，其他人都是在国外上的学院。
任何的科学实验都是要应用的，但凡通讯卫星都是要时时刻刻能用。如今我们做了一个低轨的太阳同步轨道卫星。从事卫星工作的同志晓得，它三天能过境两次，晚上一次，白天一次。并且由于光太弱了，我们只能白天做实验，晚上做不了。
所以我们要解决两个问题：一是我们要晚上下午都能做实验，二是要随时随地都能做实验，只有这样我们能够更好的应用。
因此我们要设计一个高轨卫星，我们要把卫星送到36000公里的高度起来。说上去似乎很简单，但从科学技术上来说，难度就更大了。
我简单举一个反例，刚才说的最难的是从高空扔硬币到储蓄罐里。从科学角度来说，我们如今大约是1～2个微弧度的精度，假如要到36000公里的高度，这个指标差不多还要提高三个数目级。
此次的难度就不是扔硬币了，可能要扔钮扣，甚至比钮扣还小，越来越小，所以你们可以想像这个难度之大，而且我们在国家的支持下早已在打算了。
空间光子通讯
以上是量子卫星的情况。光子还有哪些用呢？再下一步，我们要走向深空。
你们晓得如今深空侦测发展很快，前三天你们都在讨论一个热点风波，我们的嫦娥4号在地球反面登录，人类第一次在地球反面降落了。在地球反面降落之后，它会碰到哪些困难呢？由于地球反面永远不会对着月球，它必须通过一个“中转人”才能把讯号发回去，所以里面就有一个中转卫星。
我可以向你们透漏，在2020年或则最晚到2021年，我们要侦测火星。
从月球到地球是38万公里，到火星是多少呢？将近6000万公里。我们的团队也出席了这项工作，我们设计了一个仪器，波谱帧率和空间码率都很高。
之后，科学家告诉我，这个仪器码率高是挺好，然而信息传不回去，由于距离太远了，每次只能传回一点点信息。所以现今最流行的就是激光通讯，用激光的办法把信息传回去。所以，到了如此远的距离之后，我们面临好多困难，由于能量和距离的平方成正比，所以我能传的信息量就很小了。
举一个反例，月球和地球之间进行通讯，目前我们大约每秒钟只能传几十K的数据。假定发一个指令，要求拍张相片马上传回去，这不是立刻能够传回去的，一方面光速有时差，大约到地球要一秒钟多，另一方面图象要编码之后才会慢悠慢悠地传回去。
▲深空光子通讯预期目标
假如进行科学侦测，这样是不行的。所以我们如今提出一个指标，例如说每秒钟要传1G的数据，假如用传统的办法，天上要做一个一米口径的望远镜，地下要做一个三十几米口径的望远镜就能达到这个指标。
如果把信息全部调制到光子里，用光子的方式能不能实现呢？我们预测天上只要一个20分米口径的望远镜，地下只要一个一米口径的望远镜才能实现这个目标。这是我们光子的未来。
做深空侦测，侦测器很重要。我们如今要侦测一个个光子，在“墨子号”上用通常半导体单光子侦测器就够了，而且要做深空侦测中的光子通讯可能就就不够了。
现今科学家研发出了超导纳火锅侦测器，光听这个名子就感觉很神奇了。你们晓得超导材料气温变化之后，导电的变化十分大，所以将一些材料弄成很细很细的纳火锅，去检测它的阻值，然后让它工作在超导区，再将一个光子打在里面，一个光子的能量都会使侦测器发热，还会挪到非超导区，这样才能形成一个脉冲。
▲高效单光子侦测技术
如今，我们的科学家早已能作出国际上最好的超导侦测器，单光子侦测技术也将成为未来深空侦测的特别重要的技术。
经历了这种年的工作，我有一些感受。第一，原创的科学思想是灵魂。哪怕有再中级的工程师，再大的工程队伍，有没有特别优秀的科学家，做下来的东西的层次、水平是不一样的。
第二，管理体制、决策层对科技的支持对科技发展十分重要。量子卫星有好多风险，而且我们国家的领导下定决心让科学家去闯、去试才有了明天的成绩。在美国，例如法国，她们很早也想做，而且因为种种诱因没有弄成。
第三，做这样一件事情是高技术的结合，不是一两个科学家能弄成的，须要大团队作战。我们当时做这件事，动员了科大学十几个研究所，把最优秀的、最强的力量结合上去才弄成的。
最后一点，科学团队和工程团队必需要互补。科学家有好多好的看法，他要通过工程师来实现。我有时也很自豪地说，作为工程团队太空物理实验，我们实现了科学家的梦想。
感谢你们！
