免費下載！
[!--downpath--]捕捉“墨子號”發出的光子難度有多大呢？
相當于我坐在客機上，
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。
文丨王建宇中國科大學教授
本文轉載自陌陌公眾號“格致論道講堂”（ID：），原文首發于2022年10月13日，原標題為《在太空中舉辦量子實驗有多難？這相當于在客機上往地面的儲蓄罐里扔硬幣》，不代表瞭望智庫觀點。
光既是粒子又是波
我們生活的世界七彩斑斕，全部是靠光的作用。
人類很早就開始研究光。17世紀的時侯，牛頓就專門研究過光。他覺得，光是一顆一顆的，即光的“微粒說”。在他的研究下，如今好多光的現象在那時侯早已能解釋了，例如光通過一個棱鏡會分出七彩斑斕的顏色。
▲光通過棱鏡會分出七彩斑斕的顏色
然而這個理論解釋不了光的衍射、干涉等現象。而惠更斯在1690年出版的《光論》一書中即將提出了光的波動說，完善了知名的惠更斯原理。后來化學學家麥克斯韋提出了一個麥克斯韋等式組，強調光是電磁波的一部份，支持了光的“波動說”。
到底光是粒子還是波？兩個學說的支持者因此爭辯了幾百年。光究竟是哪些？直至愛因斯坦做完了一個十分有名的光電效應實驗，這個問題才有了答案。你們曉得愛因斯坦的相對論，但對他的光電效應實驗可能不太清楚。實際上，愛因斯坦獲得第一個諾貝爾獎不是由于相對論，而是由于光電效應實驗。
愛因斯坦提出，光既是粒子又是波。這個看法十分創新，它奠定了我們明天量子熱學的基礎。愛因斯坦覺得，光是一份一份的，分到最后它不能分成半個光子。據悉，光是有能量的，能量等于頻度除以普朗克常量，即E=hv，按照相對論原理推論，光是有質量的。
你們可能會說，我們沒覺得到光有質量啊？光只有在運動中才有質量，它有運動質量，沒有靜態質量。也就是說，光永遠是在運動的。這個理論奠定了我們如今光學的基礎，隨后我們對光子才有了比較全面的了解。
隨著科技的發展，如今我們早已可以偵測單個光子了。光子用嘴巴是根本看不到的，并且用現今的科學儀器，例如光子偵測器，就有可能偵測到一個個從不同地方來的光子。
光子的應用好多。例如，空間遙感拍攝月球。我們常常在天氣預報中看到云圖的概念，云圖是哪些？就是太陽光照在月球大氣層上的云層上，云層把太陽光再反射到衛星儀器上或則衛星的拍照機上，衛星拍照機按照反射進去的光拍攝的月球表面云的分布圖就是云圖。
假如拍照機的靈敏度足夠高，我們有可能看見一個一個光子，也就有可能得到最靈敏的圖象。
在生命科學研究中，光子有特別大的作用。好多生命現象可能在某個時刻發出特別微弱的光子。有了光子偵測器，我們就可以偵測一些生命科學上面十分微弱的信息。
明天我要和你們說的不是上述應用，而是另外兩件事，一個是光子如何在空間量子通訊里得到應用，另一個是光子今后在深空偵測里還有哪些應用，也就是所謂的光子通訊。
空間量子通訊
2016年8月16日，我國發射了第一顆量子科學實驗衛星，這是全世界第一次把量子科學實驗遷往太空起來。
2017年1月18日，我們的科學工程團隊把整顆衛星交給科學家，之后科學家又經過一段時間的實驗，總算得到了學術成果。
2017年6月，我們的工程團隊向全世界宣布，我們早已完滿地完成了所有的科學實驗，量子衛星完成任務了。
▲世界首顆量子科學實驗衛星：墨子號
并且完成任務并不是說這顆衛星就不用了。科學家現今還在天天做實驗，不但自己做實驗，還和全世界的科學家一上去做實驗。這么你們可能就要問了，量子科學實驗衛星究竟是干哪些的？
它要完成三個實驗任務，第一個實驗叫量子秘鑰分發。量子秘鑰是依據量子熱學的原理，提供一種不可破譯的秘鑰。它在化學原理上是怎樣保障的呢？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，你不可能領到半個光子。
甲乙兩方送秘鑰的時侯，甲送出10000個秘鑰給乙，乙假定收到了1000個，這時侯還有一個丙專門要偷秘鑰，他可能水平也挺高，偷了2000個、3000個甚至更多，并且光子是一份一份的，所以乙領到的光子，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，被泄露的光子不形成秘鑰。假定丙的數學水平很高，他可以把光子偷去拷貝，然后再給乙，是不是這樣丙就有秘鑰了？
量子熱學上面還有一個十分知名的原理，叫量子不可克隆原理。在量子熱學里，一堆量子假如用傳統的辦法去拷貝，拷貝完了之后給第二個人，對不住，你不可能全拷貝對，大約有1/4一定會拷貝錯。
有一個電視節目叫《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，丙偷了光子拷貝以后再傳出也沒用，甲乙二人只要對一下上面錯的碼，超過多少就不用了。所以第二個原理就是被拷貝的或則被克隆的光子不形成秘鑰。
只要上述這兩條做到了，形成的秘鑰在傳輸過程中一定是安全的。這件事我們在地面早已做了好多了，并且在地面上要把量子秘鑰傳得很遠是有困難的。假如我們要構建一個全球的量子網，衛星是一個最有效的辦法。
第二個實驗極其神奇，就是所謂的糾纏原理。上面說量子不去檢測，它是不確定的，檢測之后才確定。并且糾纏現象又告訴我們，兩個量子之間在一些特殊情況下，它們之間互相有感應，或則說它們是有一定關系的。
當檢測一個是0或則是1的話，另外一個一定立刻就確定出來。這個事情有特別大的爭辯，愛因斯坦對這點也是有疑義的。
▲量子糾纏分發
在地面上，我們早已證明了這些現象是存在的，然而到1000公里甚至1萬公里之后，這些現象還存在不存在？所以這顆衛星的第二個實驗就是要驗證在上千公里的地方，這些現象是否仍然存在。
第三個實驗叫量子隱型傳態。上面說了量子不可克隆，不可克隆的結果是哪些？這個系統就是孤立的，和外界無法交流。自然界是十分奇妙的，它肯定有量子交換的方式。
科學家在20世紀末發覺量子糾纏是存在的，它的量子信息就可以通過糾纏的方式傳遞出去。所以我們第三個實驗就是要驗證地面到衛星相距上千公里這些信息的傳遞是不是可行的。
▲量子隱型傳態
具體的數學原理，可能我講得不是最嚴謹的，但我們的工作是要把潘建偉教授的看法遷往天起來，我們把天空和大地——幾千萬平方公里弄成一個大實驗室，來做他的實驗。
當時我們列了六七件最難的事兒，我給你們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，或則地面一個個光子要打到天起來，我們要進行捕獲跟蹤。
你們曉得衛星是繞著地球轉的，它每秒鐘飛行的速率大約是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、飛快飛過的衛星向地面站發出光子，之后，當它出了地平線之后，我們在地面上馬上要把衛星捕獲，捕獲之后還要衛星和地面站的光軸對準就能開始做實驗。
這個在國際上有先例嗎？有。例如現今好多激光通訊衛星就有類似的功能，而且量子衛星要實現這個功能難度更大。難在哪些地方呢？激光通訊試驗都是強光試驗，光越強越好，訊號來了馬上能解下來，而我們要捕獲的是極其微弱的光子。
據悉，為了要做第二個實驗，就是量子糾纏實驗，我們要在衛星前面形成一個糾纏光量子對，要把它發到兩個相隔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？舉一個反例，相當于我坐在客機上，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。
▲從客機上扔硬幣示意圖
第二件，那么小的光子究竟靈敏度要多高能夠捕捉到？我們進行了估算，地面一臺望遠鏡要測量到天上來的一個光子太空物理實驗，靈敏度要多高呢？相當于一個人在地球里面劃一根火柴，它燃燒上去，地面這臺望遠鏡要能看見，這樣我們能夠捉住一個個光子。
▲單光子接收偵測
我們可以在全球構建一個衛星網路，之后把秘鑰從一個地方發到另一個地方。我們當時做的時侯，在地面設計了5個地面站，其中４個是做接收的，一個在山西，一個在西藏昌都，一個在廣東拉薩，另一個在上海。
為何要如此多的地面站？這是為了降低實驗的時間，由于我們要做第二個實驗，衛星必須掠過兩個地面站之間，我們能夠做實驗，能做實驗的時間是十分短的。
做科學實驗要創新，要發覺未知的東西，并且做工程要確保成功。所以，我們當時設了山西和喀什，這一對是可以做實驗的；喀什和拉薩這一對也是可以做實驗的。這樣我們的保險系數就提升了一倍。
同時我們又在上海設一個地面站，為何呢？我們要做地面的密碼傳遞、保密通訊實驗，上海是我們的首都，自然而然指令要從那邊發出來，所以上海專門設了一個站。
我們還有第三個實驗，隱型傳態，是從地面把信息發到天起來，我們找了一個特別高的地方。
由于是第一次做，我們對好多科學現象不清楚，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了一個發射網點。這樣我們就弄成了實驗。
2017年初，我們基本上做完了實驗。我們的三個實驗弄成了三篇論文。一篇以封面文章發表在《科學》雜志上，題為《基于衛星的糾纏分發距離超過1200公里》，確確實實驗證了在1000多公里的距離，量子糾纏現象是存在的，其實現今又有人提出來大家能不能更遠。
另外兩篇關于秘鑰分發和隱型傳態的文章發表在2017年8月的《自然》雜志里。當時這三篇文章的發表在國際上還造成了震驚。
▲三篇論文分別發表在《科學》和《自然》雜志上
《科學》雜志每年都要推選一篇最佳論文，我們特別榮幸，這篇《基于衛星的糾纏分發距離超過1200公里》的論文獲得了2018年克利夫蘭獎。
2017年9月，我們實現了國際上第一次洲際的量子秘鑰通訊，法國科大學教授和中科院白春禮教授用量子保密的視頻電話進行了通話。這個風波被評為2018年日本數學學會的十大科技進展之一。
▲2017年9月，中國與俄羅斯實現洲際之間的量子保密通訊
你們可能會問，做這個工作的是不是都是上了年齡的科學家？我介紹一下我們的團隊，我大約歲數是最大的，我們一級的總（工程）師有60后、70后和90后。并且我們第二層次的校長設計師，也就是具體負責項目的幾乎全部是90后。
我還記得一件事，當初有個日本來訪者就問我是日本那個學院結業的？我們的團隊成員是不是都是從英國回去的？我告訴他，我們這個團隊，不僅首席科學家是從法國留學回去的，其他人都是在國外培養的本土科學家。
之后，我和領事館的人碰面聊了聊，臨別的時侯，有個人就問我是日本那個學院結業的？我們的團隊成員是不是都是從英國回去的？我告訴他，我們這個團隊，不僅首席科學家是從法國留學回去的，其他人都是在國外上的學院。
任何的科學實驗都是要應用的，但凡通訊衛星都是要時時刻刻能用。如今我們做了一個低軌的太陽同步軌道衛星。從事衛星工作的同志曉得，它三天能過境兩次，晚上一次，白天一次。并且由于光太弱了，我們只能白天做實驗，晚上做不了。
所以我們要解決兩個問題：一是我們要晚上下午都能做實驗，二是要隨時隨地都能做實驗，只有這樣我們能夠更好的應用。
因此我們要設計一個高軌衛星，我們要把衛星送到36000公里的高度起來。說上去似乎很簡單，但從科學技術上來說，難度就更大了。
我簡單舉一個反例，剛才說的最難的是從高空扔硬幣到儲蓄罐里。從科學角度來說，我們如今大約是1～2個微弧度的精度，假如要到36000公里的高度，這個指標差不多還要提高三個數目級。
此次的難度就不是扔硬幣了，可能要扔鈕扣，甚至比鈕扣還小，越來越小，所以你們可以想像這個難度之大，而且我們在國家的支持下早已在打算了。
空間光子通訊
以上是量子衛星的情況。光子還有哪些用呢？再下一步，我們要走向深空。
你們曉得如今深空偵測發展很快，前三天你們都在討論一個熱點風波，我們的嫦娥4號在地球反面登錄，人類第一次在地球反面降落了。在地球反面降落之后，它會碰到哪些困難呢？由于地球反面永遠不會對著月球，它必須通過一個“中轉人”才能把訊號發回去，所以里面就有一個中轉衛星。
我可以向你們透漏，在2020年或則最晚到2021年，我們要偵測火星。
從月球到地球是38萬公里，到火星是多少呢？將近6000萬公里。我們的團隊也出席了這項工作，我們設計了一個儀器，波譜幀率和空間碼率都很高。
之后，科學家告訴我，這個儀器碼率高是挺好，然而信息傳不回去，由于距離太遠了，每次只能傳回一點點信息。所以現今最流行的就是激光通訊，用激光的辦法把信息傳回去。所以，到了如此遠的距離之后，我們面臨好多困難，由于能量和距離的平方成正比，所以我能傳的信息量就很小了。
舉一個反例，月球和地球之間進行通訊，目前我們大約每秒鐘只能傳幾十K的數據。假定發一個指令，要求拍張相片馬上傳回去，這不是立刻能夠傳回去的，一方面光速有時差，大約到地球要一秒鐘多，另一方面圖象要編碼之后才會慢悠慢悠地傳回去。
▲深空光子通訊預期目標
假如進行科學偵測，這樣是不行的。所以我們如今提出一個指標，例如說每秒鐘要傳1G的數據，假如用傳統的辦法，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就能達到這個指標。
如果把信息全部調制到光子里，用光子的方式能不能實現呢？我們預測天上只要一個20分米口徑的望遠鏡，地下只要一個一米口徑的望遠鏡才能實現這個目標。這是我們光子的未來。
做深空偵測，偵測器很重要。我們如今要偵測一個個光子，在“墨子號”上用通常半導體單光子偵測器就夠了，而且要做深空偵測中的光子通訊可能就就不夠了。
現今科學家研發出了超導納火鍋偵測器，光聽這個名子就感覺很神奇了。你們曉得超導材料氣溫變化之后，導電的變化十分大，所以將一些材料弄成很細很細的納火鍋，去檢測它的阻值，然后讓它工作在超導區，再將一個光子打在里面，一個光子的能量都會使偵測器發熱，還會挪到非超導區，這樣才能形成一個脈沖。
▲高效單光子偵測技術
如今，我們的科學家早已能作出國際上最好的超導偵測器，單光子偵測技術也將成為未來深空偵測的特別重要的技術。
經歷了這種年的工作，我有一些感受。第一，原創的科學思想是靈魂。哪怕有再中級的工程師，再大的工程隊伍，有沒有特別優秀的科學家，做下來的東西的層次、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展十分重要。量子衛星有好多風險，而且我們國家的領導下定決心讓科學家去闖、去試才有了明天的成績。在美國，例如法國，她們很早也想做，而且因為種種誘因沒有弄成。
第三，做這樣一件事情是高技術的結合，不是一兩個科學家能弄成的，須要大團隊作戰。我們當時做這件事，動員了科大學十幾個研究所，把最優秀的、最強的力量結合上去才弄成的。
最后一點，科學團隊和工程團隊必需要互補。科學家有好多好的看法，他要通過工程師來實現。我有時也很自豪地說，作為工程團隊太空物理實驗，我們實現了科學家的夢想。
感謝你們！
