嘉賓主講
數學學在20世紀前期主導著科學的發展，其中有兩大發覺——1900年普朗克發覺量子論，1905年愛因斯坦提出狹義相對論，從對人類文明的發展而言，量子熱學的貢獻要更大些。量子熱學被譽為最難懂的學科，而“墨子號”衛星的科學原理緣于量子熱學的分支——量子信息學中，量子通訊和量子估算是其主要應用。
1927年10月，在新德里舉辦了量子熱學第五次國際大會，量子熱學基本產生體系。有張合照(見圖2)被廣傳集中了月球上三分之一智慧，上面除可見到愛因斯坦、居里夫人外，還有量子熱學世界里的功勛科學家，如普朗克、海森堡、玻爾、薛定諤等等。那些科學家發覺了量子世界中幾個重要的原理，例如：詮釋不同條件下分別顯示波動或粒子性質的“波粒二象性”；粒子介于0和1之間的“量子疊加態”；也發覺了量子的“測不準原理”和“不可克隆原理”。
“墨子號”成功帶來的國際反響
“墨子號”是“十二五”期間中科院先導項目中首批啟動的四顆衛星之一，其中第一顆“悟空”用來探求暗物質，第二顆是做多間科學實驗，第三顆就是“墨子號”，將要發射的第四顆用于探求黑洞。
墨子號的使命：三大科學任務、五大工程任務
“墨子號”嚴格說來是量子科學實驗衛星，而不是通訊衛星。我們首先要證明三大科學目標：一是實現星地高速量子秘鑰分發，將衛星上形成的量子秘鑰，分發到光學地面上，它的可行性意味著可以徹底解決精典秘鑰分發體系的安全漏洞；第二要做量子糾纏分發實驗，證明量子理論的完備性；第三是量子隱型傳態實驗，這對化學學有著重要的科學意義。后兩個目標屬于驗證量子熱學原理的實驗。
對于工程目標而言，要造一顆衛星；地面要做四個接收站、一個發射站，產生天地鏈路；之后發射上天并幫助科學家完成所有實驗。
量子通訊為什么非要到天起來做？目前在地面上可以借助光纖網進行量子通訊，但量子在光纖里會衰竭，可靠傳輸距離只有100公里，中國農大建了超千公里的滬寧量子通訊干線，是靠一段段送過去，多一個中繼點都會少一份安全。并且要做全球的量子秘鑰分發，在美國建中繼點更是問題，通過衛星是一個最好的辦法。空間量子網和地面量子網合上去，就能形成全球完整的量子通訊網。因為量子秘鑰在分發過程具有絕對安全性，這個實驗的意義不同通常。
量子糾纏和隱型傳態實驗的重大科學意義
量子糾纏是上個世紀量子熱學中最懸乎的一件事情，愛因斯坦覺得“這是遙遠地點之間奇特的互動”，他認為一定是量子熱學的理論不完備，他提出相對論的定域性，覺得一個粒子檢測不可能對另外一個粒子形成作用，而量子熱學的非定域性覺得，一個粒子檢測有可能頓時改變另外一個粒子，誰對呢？做實驗!上世紀60年代，玻爾提出一個可驗證糾纏是否存在的不方程。1972年起，不斷有人作出實驗了美國量子通訊，但被人指責實驗距離太近，不屬于類空間間隔。2011年中國完成了100公里的實驗，這么1000公里呢？這要通過衛星來驗證。同樣，假如量子糾纏是存在的，我們也希望在幾百、上千公里范圍里驗證量子糾纏現象和隱型傳態，假如創立，意味著多少年后有望改變人類生活。
所以，“墨子號”主要任務是完成一系列的量子科學實驗。為節省國家經費，我們設計了一個小衛星，500公里軌道，640公斤重量，衛星上裝備4個用于量子通訊的設備(荷載)：量子糾纏發射機、量子秘鑰通訊機、專門形成糾纏光子對的量子糾纏源和量子實驗控制與處理機。
我們建了五個地面站，廣州興隆、烏魯木齊南山、青海及伊寧、云南騰沖和拉薩阿里，選址考慮到可以兩兩配對，都相距1200公里，以便降低糾纏分發實驗的時間。糾纏分發就是一對糾纏的光要發到兩個相距1200公里地面站，由兩個接收系統檢測她們是否是糾纏的(如圖4)；設兩組也便捷工程上備份。拉薩阿里是發射站，做隱型傳態。
為空間量子科學實驗提供宏大平臺，工程創國際一流
2017年1月18日，衛星在發射四個月后即將交付，除了確認了它可以滿足空間量子科學實驗的需求，并且早已完成了部份量子科學實驗。
量子科學實驗衛星是中國人第一次發射，給我們的科學家提供了一個國際一流的的量子科學實驗超大平臺。
“墨子號”這個名子是潘建偉教授起的，墨子在2400多年前做了世界第一個小孔成像實驗，描述了光是根據直線走的原理，這個名子既體現又發揚了中國文化。
國外外反響：“重回顛峰”論、購買論、淘汰論
“墨子號”成功發射后，國外外反響很大。《科學日本人》評選的2016年度“改變世界的十大創新技術”中，“墨子號”作為惟一誕生于日本本土之外的創新技術榮獲；《自然》雜志2016年世界八大科學風波，“墨子號”名列中國航天榜首；《華爾街晚報》詳細報導了量子衛星發射成功的過程，標題為“沉寂了一千年，中國誓回發明創新之巔”，視其為中國創新能力提高的重要標志。
也有冷冰冰的，如“中國人的科學水平早已實現了量子技術的飛越，假如我們不把歐共體弄成合理有效的整體，我們眼看都會被中國趕超。”反面聲音，“我覺得，以中國的科學水平(相較于西方世界)不可能實現量子技術的飛越，基本未曾有過。真實情況是，中國由西方的伙伴(或則競購品)來實現的。”還有一些疑惑，例如，俄羅斯科學如此發達，為何造不出量子衛星？日英法都不做而中國做了，是否人家不想做？
有少量非正面聲音也不足為奇，也不排除一些惡意評論，實驗結果會說明一切。去驗證有爭辯的事情才有意義。
量子衛星，怎樣從跟挪到推動
從量子實驗衛星的成功，可以尋找一下中國高科技怎樣從跟蹤到推動之路。“國家863計劃”全稱是“高技術跟蹤計劃”，但如今中國的水平不可同日而語，這并非一夜爆發的成功。我分四個方面來說。
第一，中國航天技術和空間激光技術有長足進步，航天器發射數目全球第二。
1957年10月4日，蘇聯成功發射了人類第一顆人造衛星，四個月后，德國發射“探險者”1號，中國在1970年發射了“東方紅”1號。
如今，我國通過載人航天證明了有天地往返、在軌對接控制和人類在外空的生存等能力；探月工程證明了對超遠距離衛星有測控和控制能力，“嫦娥4號”即即將著陸到地球反面，探月要跨行38萬公里，接下去偵測火星要經過6000多萬公里；俄羅斯衛星對地幀率可達0.1米，但要把軌道降到120公里，我們目前在500公里的軌道上也能達到0.5米幀率。中國航天每年發射量居世界第二，2016年是22次。推論是：我們是航天大國還不是航天強國，由于像探月、載人航天的創意并非來自我們。
除航天技術外，“墨子號”應用了大量激光技術。1960年，瑞典發明了人類第一臺激光器，中國第二年也造出第一臺，但在校企上落后于國際。
從1994年開始，各國將激光技術用在航天上，德國人研發了多種激光雷達，歐空局2018年將發射搭載著更先進的氣溶膠/云偵測激光雷達的衛星。中國也緊緊跟上，2007年“嫦娥1號”上搭載了技物所團隊制做的激光高度計，彌補了拍攝地球兩極地形的國際空白。
激光通訊技術也是熱點，目前一秒鐘可傳完一張5G多的DVD光碟。1995年美國成功實現星地萬公里量級的激光通訊，2005年實現世界首次星間激光通訊；2008年美國實現了首次空間相干激光通訊；2000年日本發射的一顆激光通訊衛星由于沒能完善星地鏈路而失敗，但在2013年她們完成了月球與地球之間的激光通訊。我國此次也迎面趕上，在“天宮”飛船上搭載了1.6G，“墨子號”上面搭載了5.1G。這一切說明中國近些年來的積累為“墨子號”成功打下了基礎。
第二，多年的開放為我國科學家的原創提供了條件，為墨子號注入了靈魂。
潘建偉教授是馳名國際的量子通訊著名專家，他有關實現量子隱型傳態的研究成果榮獲《科學》雜志“年度十大科技進展”，并被《自然》雜志選為“百年化學學21篇精典論文”，與倫琴發覺X線，愛因斯坦構建相對論齊名。1970年出生的他在維也納學院獲得博士學位，他歸國后，得到國家上上下下的竭力支持，而他的導師、奧地利科大學教授席林格()院士在歐共體卻推不動這個項目。
量子秘鑰分發實驗國際競爭十分激烈。2005年，北大和美國的科學家同時提出地面量子秘鑰分發的原理；2007年，潘建偉團隊和美國團隊又同時在實驗中實現了光纖量子秘鑰分發超過100公里。接著我們逐漸領先于國內，2010年中國做了200公里光纖量子秘鑰分發，2007年法國完成了144公里自由空間量子秘鑰分發。
潘建偉另外的貢獻是量子隱型傳態實驗，他的第一篇論文是在美國寫的，歸國后先和美國并行，后來漸漸領先。2008至2011年，中科大和技物所聯合團隊在湖南岸邊做了大量的實驗，一方面是驗證量子通訊能夠上天，另一方面也做理論研究，在一流國際雜志上發文。在量子秘鑰分發實驗中，我們實現了以熱氣球為平臺的運動下的秘鑰分發，固定平臺最遠達到98公里。后來我們又做了100公里的量子糾纏分發和隱型傳態，在國際上也是首次。
所以說，公正競爭、科學開放的環境，給科學家提供了創新和領先世界的機會。
第三個多學科交叉融合，強強聯合，量子衛星在光電技術上取得突破進步。
通常的衛星對地觀測把相片拍完傳輸出來就完成任務了，而“墨子號”要天地上下光交互對接、還要在衛星上形成量子訊號和糾纏光子對，它是量子理論、激光技術和航天工程完美結合，也是真正意義上的國際首次。
我們集中實現了七項關鍵技術的突破。其中有天地鏈路高精度跟蹤和精確指向。淺顯來講，就是要抓得住、跟得牢、打得準，衛星高速飛行，一千公里以外一出現就得抓住，并完善光的通訊鏈路，發射的量子光還必須精確指向地面站。為了做糾纏分發，天上的衛星要同時對準兩個地面站，并要同時達到同樣的高精度，我們都一次獲得成功。
有天地鏈路的單光子接收。在地面、天上要偵測到脈沖的光子必須有合適的偵測器，我們解決了商用高靈敏度單光子偵測器在空間環境下不能常年使用的困局。
有高色溫量子糾纏源。量子源是激光通過極其特殊的晶體干涉下來一對對光子對，極有難度，我們不但做了全世界最亮的量子源，并且發射上天了。
同時突破了近衍射極限光量子發射和多源同軸插值、偏振態保持與基矢跟蹤檢測、高精度時間同步技術等。
簡單說來，其難度相當于坐著客機從萬米高空扔硬幣，同時扔向地面兩個旋轉的儲蓄罐，硬幣不但要擊中儲蓄罐，并且要確切地射入狹長的投幣狹縫里。偵測一個光子，相當于地面1米口徑的望遠鏡，要看38萬公里外的地球上燃著的一根火柴。靈敏度這么高!
第四，中國科研組織和管理模式，為“墨子號”的成功發射提供了強有力的保障。
回顧一下，2003年潘教授歸國提出星地量子通訊的概念，2008年立項舉辦地面攻關，2011年完成百公里量級的量子秘鑰分發，2011年末量子衛星工程立項，2016年發射。13年間，匯聚了好多團隊：中科大、技物所、上海小衛星工程中心、天文臺、光電所、上海光機所、航天科技8院等等；主力球員全是90后。
借此來看墨子號的成功要素。首先，量子衛星好諸如阿波羅登月、載人航天都是國家項目，不是個人、幾個小團體可以弄成；第二是高技術的比拼；第三對科學的追求須要愛國精神來支撐；第四是探求未知的理想信念。
由此引起我對中國式科技創新的思索。第一，科學家原創是靈魂。第二，管理層快速決策是資源保障，這是中國特色的高執行力。第三，兵團式多團隊聯合，工程管理是技術也是藝術和科學。第四是科學團隊和工程團隊的互補，交叉融合，1+1小于2。量子衛星得益于天時地利人和，天時是國家對科學的注重，地利是在開放的全球競爭，人和是團隊互相支持。
對今后的發展，我也提出四點，第一，要常年支持，國家要有選擇性支持。第二，要有包容失敗的文化。第三美國量子通訊，要有多元評價的體制，不能讓工程師團隊也去做SCI文章。第四，在破壞性創新中發展高科技，我們選題上一定要有高度，從跟蹤到推動這個階段，說究竟，科學的創新思想還是成功之源。
量子技術，怎樣改變生活
量子信息學和實際生活密切相關。目前國際競爭激烈，法國、美國、日本都在耗費大量財力研究，并非她們不做我們才去做。量子技術還有許多應用。
量子陀螺儀。過去沒有GPS，客機導航便憑著陀螺儀。借助量子技術發展的原子陀螺儀，檢測精度可比傳統的高幾個數目級。
量子雷達。目前我國已研發下來，借助糾纏的辦法可以達到很高的靈敏度。量子成像也在發展，理論上可突破衍射極限。
在量子計算機這個層面，隨著半導體元件的規格接近納米級，電子的運動不再遵循精典數學學規律，一定會出現技術革命，量子現象就可能會被運用；另一方面，小型計算機出現后，煤耗與散熱巨大，而量子熱學中存在的可逆估算可將熱量升高。
量子通訊產業的特征：量子通訊是對目前傳統通訊技術的一種重要的補充，而不是全面的取代；量子產業的門檻比較高；核心技術正在突破中，學術的爭辯至今沒有結束，產業的技術風險和市場風險都比較大；市場上有一大片冠以“量子”的產業不乏“魚龍混雜”成分。
“墨子號”只是開始，中國科技正從跟蹤向推動跨越，中華民族將對人類科技發展做出應有的貢獻。
嘉賓對話
日本、歐共體個別項目的居前與失去優勢和科學決策機制有關
李淼：昨天講演中，多次提及了中國目前的科研決策中“國家行為”，它的優勢十分有利于做像“墨子號”這樣先鋒式的探求和實驗，這一點我感同身受。第一顆先導衛星“悟空號”同樣受惠，亞裔科學家丁肇中先生在英國主導偵測暗物質的AMS02實驗，但在明天的法國很難發射這樣一顆衛星。特朗普近期已宣布要縮減科學和技術領域的經費。
在英國，一般由科學家提出計劃，之后層層上遞到議會和首相，恐怕都會遭到政見不合的膠著戰，法國須要整個歐盟來集體決策，執行力都會大大增長。就我的研究領域，一年多前日本人宣布偵測到了引力波，她們想去太空做實驗的計劃早已申報了20年，在歐盟也是五年前才剛才通過。這說明中國在決策方面有優越性。
國家支持、開放新政、多元平臺確保我們決策的先進
王建宇：六年前，不少人埋怨我們的科技比較浮躁，西方國家怎么鼓勵原創。通過“墨子號”工程，好多人都改變了認識。這幾年，中國的科技發展確實非常快。新世紀后我每年出席的科大學院工作會上，近三年只有國際領先項目能夠上會討論。不僅國家支持外，還得益于我們的開放新政，像李淼老師這樣的海歸都回去了，美國單獨做和在國外你們一起做還是不一樣，科技的合作優越性又彰顯下來了。另外，日本的審批制度中有時未必完全是科學性在起作用，參雜著利益斗爭，但在中國，起碼從科學家到領導人，都是視該科研是否真正在國際前沿，能夠真出結果為標準。
我認識潘教授半年不到，科大學就啟動一個有史以來最大的項目來驗證此事的可行性，一下子就組織一個各類人才的隊伍，這些速率和技巧在美國不太可能。
但國家現今雖然還是資源少，因而，項目都是好中選優。諸如量子通訊和量子計算機是國家重大專項，先做科學實驗衛星，下一步一定要從實用角度去努力，珍視好國家對你的支持。
激光領域和半導體領域，中國當初不落后到失去商機
李淼：中國科學和專家體量越來越大，要想推動國際，國家就必須選一些有可能突破的方向持續支持。前車可鑒，改變了生活及商業的激光領域，中國人在德國人以后作出激光器，后來沒有持續經費的支持，就失去了科學和商業先機；半導體，我們原本也不落后多少，而且沒有選擇性跟上，現今芯片60%是進口。量子估算和量子通訊，如今雖然在實驗室階段，但假如有持續支持，直至突破為民用，會給國家帶來巨大的改變。
實驗的時間有限，月球同步衛星是下一步目標
李淼：我如今更多時間在做科普。討教王教授，“墨子號”要在太空里做量子通訊的實驗，實驗時，每次通訊可持續多長時間？所含比特量多大？
王建宇：現今用的是太陽同步軌道衛星，繞著地球轉一圈大約100分鐘。每晚一個地方只過兩次，晚上一次，白天一次。做通訊實驗有兩個條件：衛星要看得到，背景不能太亮。為此，每位地面站三天最多做一次實驗，最長10分鐘左右，多則幾百秒，少則幾十秒，甚至十幾秒。多少比特量？設計指標是要超過每秒鐘1K，后來能達到每秒到十幾K，小規模的秘鑰應用已然夠了。如每年能形成1G的秘鑰，能夠滿足國家好多方面的需求了。
怎么突破？須要設計一個中高軌衛星，高度到36000公里叫月球同步軌道衛星，如燈高懸在頂隨時可用。晚上能夠做？可以考慮用極窄光學混頻或則隔離技術，把光混頻器的帶寬做得極窄，就有可能。這兩個技術有待今后幾年突破。
四個基站三層目標的不斷挑戰，完全領跑于國際
李淼：為何要建四個基站？
王建宇：這有一個過程，2007年潘教授設的目標只是能弄成世界第一個秘鑰分發；2011年地面湖南湖實驗做得很成功，科學家要求就增強了：量子糾纏中“貝爾(Bell)不方程破缺”的驗證是全世界矚目的難點，我們能夠放起來做？我說風險特別大，他說作為拓展項目；過段時間他看做得挺好又說，能夠把隱型傳態也做進去？就叫額外任務。這樣的結果是我們領先了好多年。
“三只鞋上地球”的比喻來理解隱型傳態原理
李淼：我提議給王教授鼓掌。我解釋一下量子態隱型傳輸，原理說上去很高深。我把一個粒子比喻成鞋，我想把雙腳襯衫送到月亮起來，但量子不可克隆，我怎樣送？隱型傳輸想了20多年，有了絕妙之法。我先找一對量子襯衫，把其中一只送到地球上，我不曉得左右，但量子糾纏告訴我們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較，全是右其實地球的是雙腳，就讓地球的翻過來，假如第三只鞋子是雙腳，我手里原本有一只，假設是右我是雙腳，一看肯定是一左一右，這個好理解，由于第三只鞋和留在手里的配對了，而地球上的那只原本也和留在手里的鞋配對。說上去很簡單，道理很深。
大家不理解的話，把我的故事反反復復想兩遍。
隱型傳態投入民用將實現了不起的破壞和恢復
王建宇：能夠舉個反例，隱型傳態怎樣真正步入應用？
李淼：假如我想傳輸的系統是量子態的，例如量子態的我傳輸到另一個地方，必須在這個地方把我破壞掉，把破壞掉的信息通過我昨天說的三只鞋的故事分發到另外一個地方去，另外一個地方可以把我的態或則我的人完全恢復。這告訴我們兩件事，量子態的我不可能拷貝成兩個李淼；假如想把我傳輸到外省去，必須把本地李淼毀滅掉，第三個地方恢復。假如可以實現的話十分了不起。
量子計算機可能在50年左右實現
王建宇：一位資深專家說，量子計算機可能是今天做下來，也可能是一千年之后做下來，如何理解？
李淼：算盤是精典計算機，計算機是體量、容量放大的算盤，電路上面每位邏輯門開和關就是算盤上面的算盤珠。算盤珠只有兩個態，出現和不出現，而量子估算不是算盤珠了，它的不確定性原理決定了量子有無窮多個態，可出現也可不出現，機率就在0和1之間，累加后會有好多好多量子比特。假如把精典估算比喻成走迷宮的一條道，那迷宮只有一條道走出去，量子估算是同時走所有的道，像1可出現也可不出現，也可同時出現，而且機率不一樣，你可同時走所有的可能性。以倒水為例，這杯水嘗試了所有道，量子估算就是倒一杯水的過程，肯定有一條效率最高的通道。
究竟何時可以實現，近來我比較豁達，要做量子估算要到微觀層面上實現量子態，并且保留足夠長的時間，把估算過程完成對科學家是最大的挑戰，有可能估算仍未完成，量子態才會破壞掉，現今用離子井可讓量子態保留足夠長時間。我預測10年實現不了，應當是50年之內。